瑞淀庆祝成立30周年：光源成像测角仪（SIG）发展历史第1部分 ——测角法获得市场认可
Rick Albrecht 是一名光学工程师，于1995年加入瑞淀。他是瑞淀 光源成像测角仪® (SIG)系统发明人。
通过光线追踪进行光源表征
多年来，光学工程师一直通过光学设计对光线进行追踪，以确定光线特性。早期，这种光线追踪是在大型绘图板上通过图形方式完成的。虽然以这种方式可以设计出质量令人惊叹的光学元件，但设计过程非常费时费力。随着计算机的出现，这一过程得到了极大的改进。过去需要耗费数周甚至数月时间，如今在数秒钟内即可完成。
光学设计包含以下两个一般领域：成像和照明。与成像有关的光学设计具有一定的适用规则，包括光线如何能够从物体传播到图像，以及光学元件对这些光线在传播过程中的作用。由于这些规则的存在，我们能够对部分光线进行追踪，并对其他无法追踪的光线作出充分的假设。借助计算机，我们可以追踪传播到图像上数以百计的光线，并对特定的光学系统所提供图像的质量拥有充分的了解。
相比之下，与照明有关的光学设计规则较少且较为宽松，尤其是在评估哪些光线有助于照明分布方面。这听起来像是一个优势，但这意味着，光线从光源传播到目标平面的路径将比成像所允许的光学传播路径要多得多。在这种情况下，我们必须追踪数十万条甚至数百万条光线才能确定照明分布，而不是仅追踪数百条光线。
远场和近场测量
在20世纪90年代，即使在计算机速度下，要追踪数量足够多的光线以获得准确的答案，也可能会需要数小时时间。成像与照明之间的另一个重要区别在于，照明系统需要对光源的数千个重叠图像进行成像，并将它们添加到目标平面上，而不是对点目标进行成像，并在图像平面上形成这些点。
如果无法准确地表示光源的实际情况，这些计算可能会出错（甚至出现严重错误）。在早期阶段，为了描述光源，研究人员尝试使用长臂上配备单点探测器的测角仪，并从数百个角度测量光源的亮度。由于将光源视为一个点或接近于一个点，这种方式被定义为“远场”测量。
然而，大多数照明系统在“近场”测量中使用更靠近光源的反射器和透镜。当从光学系统的不同组成部分观察时，光源的大小和形状可能会有所不同。为了解决这个问题，早期采用的一种方法是通过在CAD等软件中手动绘制光源图像来描述光源。在某种程度上，这是一种改进，但对于复杂的光源而言，计算准确性仍然不够高。
瑞淀早期采用的方法
通过从多个角度采集光源外观图像，Radiant Imaging公司[后来更名为“瑞淀光学系统”]，在表征光源方面取得了重大进展。这种方法充分考虑了整个光源的照明差异、微小的结构细节、甚至灯罩上的反射等因素。光源描述越准确，有关照明光学系统的计算则会越准确。
在创建光源模型的早期阶段，Radiant Imaging公司将光源和相机设置在光学平台上，然后围绕水平轴旋转光源，并将相机移动到光源周围的不同位置。这种方式较为耗时费力，并且仅适用于对相对于重力的位置不敏感的光源。
首台光源成像测角仪（SIG）
我于1995年夏天加入Radiant Imaging公司。那年12月，Ron Rykowski [创始人兼时任首席执行官]和我在电话中进行了较长时间的交流，探讨如何使光源模型创建过程实现自动化，以及如何解决现有手动操作过程存在的一些缺点。
在这篇博客文章中，我们主要从机械/光学角度描述光源成像测角仪（SIG）的发展历史（这里未涉及软件方面的并行发展历史。）当时的目标是使光源在所有操作位置保持固定不动，并在计算机控制下围绕光源移动相机。
在那次电话交流后的一个月内，Ron将这种新型测角仪的构造写入了一份客户合同，该测角仪具有处理7kW弧光灯的能力。在接下来的两个月里，我设计出首台光源成像测角仪，然后在位于美国北卡罗来纳州的一个工厂车间进行制造，并在1996年4月的第二周前运送到Radiant Imaging公司[当时总部位于美国加州达纳点（Dana Point）]。在那一周，[瑞淀前员工] Joel Deister 和我设置好测角仪，并投入运行，以确保能够准确地表征大型弧光灯。下面显示的是该首台测角仪的图片：
正如您在这张图片中所看到的，两个“嵌套”环用于在内环中固定相机。被测孤光灯由外部主框架固定不动，并且位于两个旋转轴的交叉点。相机可以定位在所有有用的角度，以采集光源的图像，利用这些信息设计的照明系统可以看到这些图像。整个框架可以旋转到水平位置，以表征将在该位置使用的灯具。
尝试表征孤光灯
在20世纪90年代末，我们为客户开展的光源建模项目之一是对电影放映机使用的十几个高功率弧光灯进行表征。功率范围为7kW至18kW。当功率达到10kW以上时，我们需要对灯具进行水冷却。这意味着，相比在Radiant Imaging公司构建设施以操作这些灯具，在决定是否将测角仪运送至客户场所时，我们必须更为谨慎。
这些弧光灯采用石英外壳，处于高气压条件下。即使在室温下，您也必须在脸部和胸部佩戴防护罩才能处理这些灯具。它们需要大约50,000伏的直流电来启动电弧，然后您必须让冷水流经电极进行冷却，以防止电极熔化。在表征过程中，可能会遇到哪些问题呢？
高功率弧光灯示例，用于IMAX电影院的15kW氙气灯。（图片： By Atlant, CC BY 2.5）
客户有一个名为“Bunker”的混凝土砌块室，他们在那里测试这些灯具，因为其中一种失效模式为爆炸。测角仪放置在Bunker室内，计算机则放置在室外的一个安全位置。
一开始，我们担心，这种高功率灯具产生的辐射热会导致测角仪的框架变形，并且无法正确定位相机。基于此原因，我们在测角仪表面采用白色涂层。后来我们发现，在某些相机位置，背景中的白色边框会降低图像对比度。未来开发的测角仪将采用黑色涂层。
能够提供非常精确的光源模型是Radiant Imaging公司业务模式的一部分。一家重要的大客户想要购买一台测角仪，用于创建自己的光源模型。这促使我们需要作出一个重大决定：我们是否打算出售这项技术？
当时，光源成像模型™事实上已成为行业标准，每家公司都希望与其相匹配。虽然通过采集光源的一组图像来创建光源模型文件这一概念看起来很简单，但实际上，这是一个非常复杂的过程。多年来，Radiant Imaging公司对该过程进行了相当大的改进。
测量图像（左）显示了光源角度发光强度分布（以伪彩色标度表示）雷达图，极坐标图（右）则突出显示了该强度图的横截面。
光源成像测角仪（SIG）名称由来
我们决定设计和制造一种可以处理大型弧光灯和小型光源的新型测角仪。这需要更准确地定位和指向相机。此外，相机尺寸更大，并且内置一个滤光轮，用于记录不同色彩的图像。为了满足新的需求，我们必须设计更坚固耐用的结构。由于我们现在拥有两种测角仪设计，我们必须构思新的名称来识别不同的设计。最终，我们将新设计命名为光源成像测角仪, or SIG for short. The first white goniometer (that weighed about 250-pounds) was referred to as the SIG-100. The new instrument was called the SIG-200 and weighed in around 1400 pounds.
如需了解光源成像测角仪（SIG）发展历史的其余部分，请点击阅读光源成像测角仪（SIG）发展历史第2部分 —占用空间、框架和叉车。
