摘要

在光學(xué)設(shè)計領(lǐng)域中，采用實測的光源模型進(jìn)行光線追跡模擬已有15年的時間。但到目前為止，其生成的光線集并不包含光譜信息。

在某些有限制條件的情況下，可適當(dāng)應(yīng)用三刺激色測量值，但很多光線追跡的軟件要求每條光線都具備相應(yīng)的光譜波長，以滿足光學(xué)系統(tǒng)的全彩色模擬分析。

本文主要描述使用光度學(xué)或三刺激成像色度計與光譜測量相結(jié)合，生成包含波長的光線集的各種技術(shù)。

這些光線集很容易用于光線追跡軟件，精確模擬光線通過光學(xué)系統(tǒng)的折射和衍射，生成包含色度信息的照度或亮度分布。

這些方法最終通過對一個光譜能量分布隨光源物理空間顯著變化或為角度函數(shù)的真實光源進(jìn)行測試確認(rèn)。

1. 引言（光源模型從光度到光譜）

近場分布光度計成功用于生成光源模型，已有15年的歷史。

其性能充分滿足了光線模擬追跡的需要【1，2，3】。同時，光源近場的數(shù)據(jù)可以確定光源在任何距離時的照度分布，可以計算光源遠(yuǎn)場的光強(qiáng)分布。

最初時，由于鎢燈在其發(fā)光的范圍內(nèi)，色彩變化很小，近場測量只使用光度濾光片就足夠了。

但是，伴隨著金屬鹵化物光源和白色LED在照明應(yīng)用中的普及，測量光源的色彩變化就變得相當(dāng)重要，這是因為這個顏色變化將導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)（如投影儀，汽車前燈或泛光源）的輸出，產(chǎn)生不希望的顏色變化。

此后，增加三刺激色濾光片以滿足基礎(chǔ)色彩分析需求。但是，很多光學(xué)設(shè)計軟件的光線追跡工具不能進(jìn)行基于三刺激色數(shù)據(jù)的光線追跡模擬。

相反，光線追跡模擬軟件卻具備追跡賦有波長數(shù)值的光線的能力，這是因為要確定光線通過玻璃或薄膜涂層時，如何進(jìn)行反射、衍射和干涉，每條光線必須有波長數(shù)值。

本文介紹一種將光譜測量和近場分布測量相結(jié)合，生成的光線具有波長信息的技術(shù)。

2. 集成光譜數(shù)據(jù)的方法

通常如果發(fā)光器件的頻譜已知，且生成的光線數(shù)量在百萬級，則應(yīng)用重要抽樣統(tǒng)計方法可將波長賦值給這些光線，具有較高能量的波長其對應(yīng)的光線數(shù)量會比其它的多。

例如：某個光源的光譜能量分布曲線，在波長655nm處的能量是450nm的兩倍，那么，在光線集中波長655nm的光線數(shù)量就是450nm的兩倍。

在理想狀態(tài)下，從各個角度測量光譜能量分布，并保持較高的空間分辨率，需要使用具有寬頻譜、高靈敏度的高光譜成像測量設(shè)備。

這樣根據(jù)發(fā)光位置和視角，運(yùn)用上面談到的重要抽樣技術(shù)，可以非常簡單直接地將波長值賦給每條光線。

但使用高光譜成像測量系統(tǒng)存在一些不足：

1. 目前只亮度或三刺激色測量時，就已經(jīng)需要巨大的，通常是數(shù)百兆字節(jié)的存儲空間，而高光譜數(shù)據(jù)量可能比這個值大一個數(shù)量級。

2. 這些光源模型一般包含1000張以上單獨的色彩影像圖片【4】，而高光譜成像系統(tǒng)的影像測量信息比亮度或三刺激色測量的大數(shù)倍。

這意味著一個4π空間的測量需要20小時或更長時間，而相同的一個三刺激色測量只要1-2小時。

通過光源的光度或三刺激測量數(shù)據(jù)，與光譜能量分布的理論或測量數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，將波長賦值給光線，這是本篇的核心內(nèi)容，有四種方式可供選擇：

經(jīng)積分球測量得到的光源光譜數(shù)據(jù)可以導(dǎo)入光線生成軟件，每條光線的波長值依據(jù)相應(yīng)的光譜能量分布被確定。

這種方法至少為光線追跡軟件提供了一個非常有用的波長值，但是，如果光源的光譜特性在角度或空間上有顯著地變化，那么，這種方法就不適用了。

通過在光源影像分布計上增加一個分光儀的方法，在測量光源亮度和色度空間分布特性的同時，光源每個視角的光譜信息也被獲取。

然后，在光線生成的過程中，根據(jù)光線的輻射方向，每個光線被賦予一個唯一的實測波長值。

但是，如果光源的色彩在光源的物理空間上發(fā)生明顯變化，那么，這種方法仍然是不適用的。

在每個方向上進(jìn)行三刺激色測量，而不只是亮度測量，然后像方法1那樣將其與積分球測得的光譜信息整合。

首先，根據(jù)每張影像中，每個發(fā)光位置的三刺激色數(shù)據(jù)（或色坐標(biāo)），生成優(yōu)化的光譜信息。

一旦得到優(yōu)化的光譜信息，采用相同的重要抽樣統(tǒng)計原理，將波長值賦給相應(yīng)的光線。

采用將每個角度測量的光譜信息和用三刺激色影像色度計測量得到的數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，進(jìn)行波長賦值是一項非常成熟精確的技術(shù)。

就像上面方法3描述的，根據(jù)原始的光譜信息和光源相應(yīng)發(fā)光區(qū)域的色坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以生成優(yōu)化的光譜數(shù)據(jù)。

不同的是，其選用原始的光譜信息是和三刺激色測量在同一方向上，一次測量得到的。

3. 實驗測試

應(yīng)用上述技術(shù)測量不同的光源，包括白色LED、 三色LED和金屬鹵化物燈，然后在光線追跡軟件中進(jìn)行分析。

結(jié)果顯示：這些技術(shù)非常適用于色彩的光線追跡模擬，而且大多數(shù)光線追跡軟件很容易采用。