ES2359797A1 - Dispositivo fotométrico electro-óptico dinámico y su procedimiento para la medición dinámica de la cantidad y distribución de luz policromática. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo fotométrico electro-óptico dinámico.Comprende un conjunto de cámaras CCD B/N en hilera, unas cámaras B/N de control y registro de distancia, una cámara color de visualización, una unidad fotométrica de referencia, un sensor espectral y un sistema de barrido estratégicamente situados e interconectados con los que se pueden realizar una medición dinámica de la cantidad y distribución de luz policromática.Presenta un diseño compacto que permite la medida de la cantidad y distribución de luz sobre superficies de grandes dimensiones (gran campo), alejadas y en un entorno variable.
Description
Dispositivo fotométrico electro-óptico dinámico
y su procedimiento para la medición dinámica de la cantidad y
distribución de luz policromática.
La presente invención se refiere a un
dispositivo fotométrico electro-óptico dinámico y al procedimiento
aplicado en él para la medición dinámica de la cantidad y
distribución de luz policromática sobre superficies extensas,
alejadas y en un entorno variable.
La invención pertenece al sector técnico de la
radiometría y fotometría con la novedad de ser un procedimiento de
medición indirecto y cuya aplicación es dinámica, adaptada al
entorno y alejada de la superficie extensa a medir. Es decir,
aquélla en la que la medida se hace desplazando el dispositivo de
forma adaptada a la superficie analizada e independiente de su
ubicación, forma o distancia.
Existen innumerables aplicaciones para las
cuales es necesario conocer la cantidad y distribución de luz sobre
una superficie y determinar así la iluminación que ésta presenta en
cualquier punto de la misma. Este análisis puede formar parte, por
ejemplo, de un procedimiento de inspección o control de calidad de
un sistema de iluminación con innumerables aplicaciones en diversos
campos, tales como el agropecuario, arquitectura, ingeniería civil,
circulación vial o seguridad pública entre otros.
El hecho de obtener la distribución de luz sobre
una superficie abre la posibilidad de optimizar las luminarias
empleadas al detectar posibles carencias o excesos lumínicos que
pueden provocar efectos indeseables, debidas por ejemplo: al diseño
de la luminaria, espaciado entre ellas, tipo de lámparas empleadas,
etc.
Los nuevos sistemas de iluminación que se están
implementando cada vez más, así como la nueva concepción de ahorro
energético y respetuosidad con el medio ambiente, están produciendo
un aumento sistemático de las demandas del mercado referentes a
procedimientos para la medida de cantidad y distribución de luz que
llega sobre las superficies así como el desarrollo de dispositivos
capaces de trabajar en un amplio rango de condiciones.
En este sentido, existen actualmente varios
dispositivos radiométricos o fotométricos basados en varias
tecnologías (principalmente fotoeléctrica y CCD) que se captan la
energía que les llega pero todos ellos adolecen de que no están
preparados para medir la cantidad y distribución de luz sobre
superficies de grandes dimensiones (gran campo), situadas a
cualquier distancia e incluso de formas variables.
Las técnicas y dispositivos actuales se basan
cada vez más en dispositivos formados por cámaras CCD capaces de
transformar los fotones en electrones y medir la cantidad de luz que
llega a una superficie. Estos dispositivos, hasta la fecha, la
última referencia fiable es un proyecto europeo denominado
"NICOLAU" en el que se puede hacer medida indirecta de un faro de automoción con la grave restricción de poder medir ángulos de incidencia mayores de 40 grados ["NICOLAU: Characterization of automotive headlamps using near-field photometry techniques", S. Royo, M. J. Arranz, J. Arasa, SPIE Proceeding Vol 5663, pp.76-85, 2005] no han podido combinar de forma eficiente la medida de un campo extenso con un tiempo de procesado y precisión de la medida para que, tanto los métodos como los dispositivos de medida, sean eficientes. Los sistemas actuales miden pequeñas zonas por consiguiente son extremadamente lentos cuando se utilizan para medir superficies extensas y los inhabilitan para cualquier inspección o control de grandes superficies y aún más si están a distinta distancia del dispositivo de
medida.
"NICOLAU" en el que se puede hacer medida indirecta de un faro de automoción con la grave restricción de poder medir ángulos de incidencia mayores de 40 grados ["NICOLAU: Characterization of automotive headlamps using near-field photometry techniques", S. Royo, M. J. Arranz, J. Arasa, SPIE Proceeding Vol 5663, pp.76-85, 2005] no han podido combinar de forma eficiente la medida de un campo extenso con un tiempo de procesado y precisión de la medida para que, tanto los métodos como los dispositivos de medida, sean eficientes. Los sistemas actuales miden pequeñas zonas por consiguiente son extremadamente lentos cuando se utilizan para medir superficies extensas y los inhabilitan para cualquier inspección o control de grandes superficies y aún más si están a distinta distancia del dispositivo de
medida.
La presente invención, aunque utiliza un
dispositivo CCD, no solo mide la cantidad de luz sino también su
distribución a partir de un procedimiento indirecto y totalmente
distinto basado en la determinación de las pendientes de estrechos
haces luz focalizados sobre el plano de la CCD. El procedimiento de
esta invención determina las pendientes de haces estrechos de luz
enfocando a infinito el objetivo de una cámara CCD, así la energía
captada por cada píxel, considerando su reducido tamaño, solo
proviene de una sola orientación (Fig. 1). Bajo esta condición el
ángulo de incidencia del haz (\theta) se halla a partir de la
posición del píxel(x,y) y su distancia al objetivo que es
igual a la distancia focal del mismo (f'), ambas conocidas. Cada
píxel del CCD proporciona la cantidad de energía recibida y la
pendiente del haz incidente. El mapa de distribuciones de luz sobre
el CCD puede ser extrapolado, gracias al conocimiento de las
pendientes de los haces, a cualquier otro plano situado a otra
distancia conocida o bien sobre superficies no planas con solo
hallar las intersecciones de los haces con el nuevo plano.
Este sistema de medida de las pendientes ha sido
aplicado con éxito en la solicitud de patente nº P200801034 con
titulo "Dispositivo óptico y procedimiento para la reconstrucción
y la compensación del frente de ondas proveniente de un elemento
óptico complejo", así como en ["NICOLAU: Characterization of
automotive headlamps using near-field photometry
techniques", S. Royo, M. J. Arranz, J. Arasa, SPIE Proceeding Vol
5663, pp.76-85, 2005].
Además, el procedimiento de esta invención es
dinámico con el fin de abarcar superficies extensas. El campo
abarcado por un CCD está directamente relacionado con el tamaño del
mosaico de píxeles y en consecuencia limita la zona de la superficie
analizada. El procedimiento de la invención es dinámico, es decir
barre de forma continua la superficie analizada mediante una hilera
de cámaras CCDs (Fig. 2). La disposición en hilera de los CCDs,
junto con una separación adecuada de los mismos, amplia la anchura
de la zona medida, gracias a la información aportada por cada CCD.
El barrido hace que esta detección en línea se efectúe
progresivamente a las zonas colindantes a medida que avanza el
dispositivo sobre la superficie. Usualmente un radiómetro, dispuesto
sobre la superficie que se desea medir, sólo es capaz de medir del
orden de un centímetro cuadrado, el sistema propuesto puede medir
del orden de los 50 cm lineales por el largo que se desee desplazar
el dispositivo.
La presente invención también presenta un
dispositivo basado en el procedimiento antes descrito cuyo diseño
lleva incorporados una serie de sensores, descritos a continuación,
que trabajan conjuntamente para suministrar los valores de todos los
parámetros necesarios para calcular la cantidad y distribución de
luz con exactitud y fiabilidad sobre cualquier superficie extensa,
alejada y en un entorno variable, por ejemplo que presente
inclinaciones o deformaciones
(Fig. 3).
(Fig. 3).
El dispositivo de la invención consta de los
siguientes elementos: conjunto de cámaras CCD B/N en hilera (A), una
cámara CCD B/N para el control de posición y velocidad de barrido de
todo el dispositivo (B), una cámara color para visualización del
entorno (C), una cámara B/N para el registro en continuo de la
distancia entre la hilera de CCDs y la superficie analizada (D), una
unidad fotométrica de referencia (E) y un sensor espectral (F) para
el registro del espectro de la luz recibida por la hilera de CCDs
B/N.
El conjunto de cámaras CCD B/N en hilera (A),
empleado para la detección de las pendientes de los haces y de la
energía recibida en cada píxel, está formado por cámaras CCDs en
blanco y negro con sus respectivos objetivos ópticos de igual
distancia focal (f') y número de diafragma (N), orientados
directamente hacia donde procede la luz evitando los problemas de
sombras producidas por elementos del sistema.
La cámara CCD B/N (B) sirve para captar la
imagen de las marcas de referencia que, tras su procesado, darán la
localización del dispositivo y la determinación de la velocidad de
barrido del mismo. Se sitúa al lado de la hilera de cámaras,
orientada directamente hacia donde procede la luz y se sirve de las
referencias (señales visuales o localizador GPS) para el desempeño
de su función.
La cámara CCD color de visualización (C) capta
en continuo la imagen de la zona de la superficie medida y del
entorno que la rodea. Sirve para la posterior presentación de los
resultados a través de una pantalla de ordenador.
La cámara B/N (D) en blanco y negro, con un
objetivo óptico, se enfoca el punto de contacto entre el dispositivo
y la superficie analizada. El posterior procesado de la información
proporcionada proporciona la distancia entre la hilera de CCDs y la
superficie analizada.
La unidad fotométrica de referencia (E),
orientada directamente hacia donde procede la luz, está formada por
varios sensores y filtros neutros de distintas densidades ópticas,
cada uno asociado a un sensor, y se utiliza como referencia en el
posterior procesado de la información.
El sensor espectral (F), orientado directamente
hacia donde procede la luz, permite captar el espectro de luz bajo
el cual se ha efectuado la medida y que, tras el procesado posterior
del flujo radiométrico recibido por cada píxel, permite ponderar la
radiación recibida dando el resultado de la distribución
fotométrica. Esta aplicación es de gran importancia cuando se aplica
el dispositivo a la detección e inspección de luminarias, ya que
proporciona los valores reales percibidos por el ojo humano.
El dispositivo de la invención lleva además una
unidad de almacenamiento de datos (Data Logger) y un sincronizador
que, mediante la aplicación de los algoritmos adecuados, se obtienen
una sincronización de las medidas realizadas con todos los elementos
descritos.
El dispositivo se debe acoplar a un desplazador
motorizado con velocidad de barrido controlado que permite el
barrido para la medición de la distribución de luz sobre la
superficie. Los datos aportados por los todos los sensores y cámaras
del dispositivo proporcionan, mediante el software adecuado, la
cantidad y distribución de luz sobre la superficie analizada.
El dispositivo de la invención va equipado con
un sistema informático que gestiona el software para la
sincronización de todos los elementos descritos. Los resultados se
visualizan en la pantalla de un ordenador en forma de texto, imagen
o gráfico a través de un monitor. Los datos visualizados son, por
ejemplo, representaciones isolumínicas, la imagen generada a partir
de los valores obtenidos por los sensores, junto con el perfil de
iluminación recibida en un plano de corte, la distancia entre el
conjunto de sensores y el plano en el que desea conocer la
distribución de iluminación. El software está diseñado también para
exportar datos en forma de texto o bien como archivos binarios y
permite asimismo la impresión de informes.
Con esta configuración estructural se obtiene un
dispositivo de medición indirecta el cual presenta un diseño robusto
y compacto, el cual puede acoplarse, por ejemplo, al brazo de un
sistema de accionamiento por robot para realizar mediciones en
posiciones complicadas, por ejemplo en una posición inclinada, en
procedimientos de control de procesos.
El dispositivo de la invención es adecuado para
realizar mediciones de manera rápida y fiable en numerosos entornos,
no importando si las superficies analizada son planas o inclinadas,
varían su forma o si cambia el iluminante a lo largo del proceso de
la medida. Así pues, el dispositivo proporciona un amplio espectro
de aplicaciones y ventajas adicionales.
Son muchas las aplicaciones a las cuales puede
destinarse el dispositivo de la invención, tales como medida de la
cantidad y distribución de luz sobre superficies tales como:
escaparates, aceras, invernaderos, granjas, etc. A modo de ejemplo,
el dispositivo de la invención se ha utilizado para la medición de
la distribución de luz sobre la calzada de una vía pública iluminada
con una serie de farolas. Para ello se montó el dispositivo sobre un
automóvil el cual se movía sobre la calzada y actuaba de desplazador
motorizado de todo el dispositivo.
Se explica a continuación el funcionamiento del
dispositivo de la presente invención.
El usuario sitúa el dispositivo sobre el
desplazador elegido que realizará el barrido sobre la superficie
analizada y a una cierta distancia de la misma. Luego activa el
sistema de captación formado por la hilera de cámaras CCD,
accionando también un software de adquisición asociado y enfocando
los objetivos de las cámaras CCD a infinito. Acto seguido se
conectan la unidad fotométrica y el sensor espectral. Seguidamente
activa la cámara de visualización procediendo a controlar el
enfoque. Por ultimo, se activan las dos cámaras CCD destinadas a la
localización y medición de la distancia a la superficie analizada y
se justa su correcta orientación. Se procede a activar el
desplazador y se comprueba, a través de la pantalla del ordenador,
que todos los dispositivos estén actuando y proporcionando los
datos.
El dispositivo es capaz de realizar mediciones
con una extraordinaria resolución lateral fijada por la dimensión
del píxel proyectada, que es aproximadamente de 0.5 mm para una
distancia entre la zona de sensores y la zona de interés de la
medida de 1.5 m. Esto permite reducir el muestreo espacial hasta
valores del orden de 0.5 mm, lo cual es ideal para mediciones de
grandes superficies con alta precisión. En este dispositivo se
pueden utilizar objetivos de 180 grados de campo y gran abertura
numérica (NA), del orden de 2, los cuales permiten medir superficies
con cualquier nivel de pendientes por muy elevadas que se
consideren, es decir es capaz de recoger información completa de
media esfera, lo que implica un ángulo sólido de 2 pi
stereoradianes.
El usuario selecciona el momento de iniciar las
capturas, activándose también el software de adquisición asociado al
mismo. Al contrario que en el radiómero usual, el registro se
realiza en un plano distinto al que se desea medir la iluminación,
obteniéndose el conjunto de direcciones, posiciones y valores
energéticos para calcular de forma intensiva y extensiva la
iluminación en el plano deseado. El haz recibido en el sensor se
proyecta sobre el dispositivo CCD. La serie de imágenes obtenidas al
efectuar el barrido de la muestra permite obtener, mediante el
algoritmo adecuado, la distribución de luz sobre la superficie
analizada.
Con este modo es posible realizar con la técnica
adecuada mediciones de superficies continuas y del orden de
kilómetros, sólo limitada por la capacidad de almacenamiento de los
data-logger con repetitividad del orden del 5%,
quedando fijado este error como consecuencia del numero discreto de
sensores que se empleen, en la presente patente se realizan todos
los ejemplos para un conjunto de 6 sensores distribuidos
uniformemente a lo largo de un metro pero puede aumentarse hasta
llegar a los 6 sensores cada 10 cm sin grandes dificultades, ello
implicaría recorrer menos distancias si mantenemos la misma
capacidad de almacenaje de datos, con independencia de las
variaciones de altura que presente la superficie respecto a las
cámaras CCDs de la hilera, es decir, para todos los valores de
abertura numérica.
Se describe a continuación una realización
concreta del dispositivo, montado sobre un automóvil, para la
medición dinámica de la distribución de luz sobre la calzada de una
vía pública iluminada con una serie de farolas (Fig. 4). A partir de
dicha descripción serán más claras las características, las ventajas
y funcionamiento del dispositivo objeto de la presente invención. La
descripción se dará, de aquí en adelante, a modo de ejemplo no
limitativo, con referencia al dibujo que se adjunta en la presente
memoria, el cual corresponde a una vista esquemática general de un
dispositivo fotométrico electro-óptico de acuerdo con la
invención.
invención.
El dispositivo que se ilustra a modo de ejemplo
en dicho dibujo, que se adjunta en la presente memoria, ha sido
designado por la figura 4.
El dispositivo ilustrado está constituidos por
un soporte de 200x1500x300 mm que lleva incorporado en su parte
superior todos los elementos fundamentales A, B, C, D, E y F, antes
descritos, y que detallamos a continuación:
El conjunto de cámaras CCD B/N en hilera (A)
consta de seis cámaras situadas horizontalmente sobre el soporte,
orientadas hacia arriba y separadas 250 mm. Tipo cámara CCD, de ½ de
pulgada y resolución VGS y los objetivos son grandes angulares
f'=2,8 con campo de 182º (es decir un poca más de media esfera) y
N=2. Conectadas de forma sincronizada a un único data logger que
almacena toda la información de las cámaras e información adicional
que se describe a continuación.
La cámara CCD B/N para el control de posición y
velocidad de barrido (B) se sitúa en el soporte, orientado hacia
arriba y conectado a una única base de tiempo que sincroniza todos
los registros del equipo.
La cámara color para visualización del entorno
(C) se sitúa en el centro del soporte, orientada hacia abajo. Las
características técnicas de la cámara son asimismo de ½ pulgada
numero de diafragma 2, sincronizadas con todos los registros pero el
campo de visión se halla restringido a los 50 grados centrales,
suficientes para que un usuario tenga conocimiento de donde esta
efectuando la lectura.
La cámara B/N para el registro en continuo de la
distancia entre la hilera de CCDs y la superficie analizada (D) se
sitúa en un extremo del soporte y orientado hacia abajo de forma que
capte la imagen de la rueda del automóvil y el suelo, esta cámara
juega un papel importante ya que determinada, antes de iniciar el
registro la altura de los sensores al suelo, las variaciones en la
imagen de esta cámara serán proporcionales a las variaciones
instantáneas de altura, por ejemplo debido a accidentes del terreno
y la propia suspensión del vehículo.
La unidad fotométrica de referencia (E) está
constituida por una esfera integradora que contiene dos placas
iguales. Cada placa contiene 4 fotodiodos y 4 filtros neutros de
distintas densidades ópticas cada uno asociado a un fotodiodo, que
cubren un campo de 45º. Los filtros neutros son de incrementos de 1
OD de forma que el primer fotodiodo de lecturas comprendidas entre 0
y 10 lx, el segundo fotodiodo entre 0 y 100 lx, el tercer fotodiodo
entre 0 y 1000 lx y el cuarto fotodiodo entre 0 y 10000 lx. Esta
unidad se sitúa a al lado de cada cámara detectora de pendientes de
forma que se tenga información precisa de la cantidad de energía que
llega a cada uno de los sensores no mediante un registro ccd sino
mediante un registro fotométrico conocido y calibrable, está
orientada hacia arriba y está conectado a la misma base de
información que el resto de elementos, asimismo la frecuencia de
lecturas se ha incrementado hasta las 1000 muestras por segundo con
el objetivo de ser capaz de recoger las fluctuaciones de intensidad
de la iluminación en la vía pública.
Por último, el sensor espectral (F) consta de 8
fotodiodos y 8 filtros de distinta longitud de onda cada uno de una
anchura de banda de unos 50 nm, cada uno asociado a un sensor, de
forma que cada fotodiodo solo capta unas ciertas longitudes de onda,
proporcionando información del espectro de luz con el que está
realizando la medida la hilera de cámaras CCD. Tras su posterior
procesado proporciona los valores fotométricos. Este sensor también
esta situado al lado de los sensores de direcciones y conectado a la
misma unidad de registro.
A partir de estas imágenes, mediante el software
adecuado, se obtiene la representación de los resultados de la
distribución fotométrica sobre la superficie analizada.
El sistema de barrido (G) está constituido por
un automóvil que se desplaza sobre la vía y que lleva incorporado el
dispositivo de la invención.
El dispositivo de la invención va equipado con
un sistema informático que gestiona el software para la
sincronización de todos los elementos descritos. Los resultados se
visualizan en la pantalla de un ordenador en forma de texto, imagen
o gráfico a través de un monitor. Los datos visualizados son, por
ejemplo, representaciones isolumínicas, la imagen de la vía, junto
con el perfil de iluminación recibida en un plano de corte, la
distancia entre los sensores y el plano de interés. El software está
diseñado también para exportar datos en forma de texto o bien como
archivos binarios y permite asimismo la impresión de informes.
Descrito suficientemente en qué consiste el
dispositivo fotométrico electro-óptico de la presente invención en
correspondencia con los dibujos adjuntos, se comprenderá que podrán
introducirse en el mismo cualquier modificación de detalle que se
estime conveniente, siempre y cuando las características esenciales
de la invención resumidas en las siguientes reivindicaciones no sean
alteradas.
Claims (10)
1. Dispositivo fotométrico electro-óptico
dinámico (Fig. 3) que comprende un conjunto de cámaras CCD B/N en
hilera (A), unas cámaras B/N (B, D) y color (C), una unidad
fotométrica de referencia (E) y un sensor espectral (F),
caracterizado en que incluye, además, un sistema de barrido
(G) que se desplaza sobre la vía y que lleva incorporado el
dispositivo de la invención para realizar una medición dinámica de
la cantidad y distribución de luz policromática sobre superficies
extensas, alejadas y en un entorno variable.
2. Dispositivo fotométrico electro-óptico
dinámico (Fig. 3) según la reivindicación 1, caracterizado en
que dicha unidad fotométrica (E) está orientada directamente hacia
donde procede la luz, está formada por varios sensores y filtros
neutros de distintas densidades ópticas, cada uno asociado a un
sensor, y se utiliza como referencia en el posterior procesado de la
información.
3. Dispositivo fotométrico electro-óptico
dinámico (Fig. 3) según la reivindicación 1, caracterizado en
que dicho conjunto de cámaras CCD B/N (A) en hilera son para la
detección de las pendientes de los haces y de la energía recibida en
cada píxel.
4. Dispositivo fotométrico electro-óptico
dinámico (Fig. 3) según la reivindicación 1, caracterizado en
que la cámara B/N (B) es para el control de posición y velocidad de
barrido de todo el dispositivo y la cámara B/N (D) es para el
registro en continuo de la distancia entre la hilera de CCDs (A) y
la superficie analizada.
5. Dispositivo fotométrico electro-óptico
dinámico (Fig. 3) según la reivindicación 1, caracterizado en
que dicha cámara color para visualización del entorno (C) capta en
continuo la imagen de la zona de la superficie medida y del entorno
que la rodea para la posterior presentación de los resultados.
6. Dispositivo fotométrico electro-óptico
dinámico (Fig. 3) según la reivindicación 1, caracterizado en
que dicho sensor espectral (F), constituido por fotodiodos y filtros
de varias longitudes de onda, analiza el espectro de luz bajo el
cual se ha efectuado la medida y pondera la radiación recibida.
7. Dispositivo fotométrico electro-óptico (Fig.
1) que comprende una cámara CCD y un objetivo gran angular (Fig. 1)
que trabaja conjuntamente con cualquier fotómetro convencional y que
proporciona información fotométrica direccional de la medida
realizada por el fotómetro.
8. Dispositivo fotométrico electro-óptico, según
reivindicación 1 y 7 que se autoreferencia en el espacio o bien a
través de un sensor externo (Fig. 3D) o bien a partir de la propia
información de la cámara CCD.
9. Dispositivo fotométrico electro-óptico
dinámico (Fig. 1) según la reivindicación 1 y 7,
caracterizado por proporcionar datos fotométricos válidos
para el control de consumo energético en edificaciones o en vías
públicas o privadas.
10. Dispositivo fotométrico electro-óptico
dinámico (Fig. 3 o Fig. 1) según la reivindicación 1 y 7,
caracterizado por disponer de un entorno de comunicación
remoto para su control y envío y recepción de información.
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