CN101243313A - 用于散射仪的双光束设置 - Google Patents

Abstract

提供了一种具有双光束设置的散射仪或二次散射仪和使用其的方法，以产生光学参数测量值。双光束二次散射仪包括在底部由基底(320)密封的半球形穹面外壳(318)。辐射源(302)分成两个光束产生辐射：用于照明样本表面(308)的照明光束(304)和用于提供与照明光束(304)有关的光学特征信息的校准光束(330)。经由分立的光路将每个光束引导到半球形穹面外壳(318)之内。定位光学成像装置(324)以获取由被照明光束(304)照明的样本表面(308)散射的散射辐射(314)的图像，并同时获取校准光束的图像。在分析散射辐射数据时，利用校准光束图像补偿辐射源(302)的光输出的变化。

Description

用于散射仪的双光束设置

本公开总体上涉及表征材料光学性质的设备。更具体而言，本公开提供了一种用于对材料进行光学测量的双光束二次散射仪(parousiameter)。

在当前的全球经济中，产品的制造很少是在一家制造厂发生的。在全世界很多工厂制造部件并运输到最终制造点，在那里将所有部件组装成最终产品。这种全球制造供应链具有许多益处，最突出的是成本降低，这一益处可以被传递给消费者。不过，在这种分布式制造过程中存在缺点。

在分布式场所制造产品部件时遇到的一个问题是产品外壳的光学性质一致性(例如颜色、光泽、纹理等)。很多公司在市场研究上花费数百万以制造出吸引消费者并与竞争产品容易区分的产品(即品牌认知)，例如在鞋或T恤上加上Nike的“一撇”，或者是AppleiMac系列计算机的与众不同的案例设计。不幸的是，品牌的吸引力可能会受到使外观不一致的制造的影响。

例如，考虑电视机的制造：内部电路可能是在台湾制造的，CRT在韩国制造，前机壳在马来西亚制造，后机壳在菲律宾制造。即使使用相同的材料和染料，也常常难以制造光学性质相同的前机壳和后机壳。设备校准误差、机械磨损以及许多其他因素都会引起不一致。最终的结果是前机壳和后机壳外观不同的电视机。这种颜色、光泽、纹理等的不均匀很容易被消费者注意到，给人的印象就是一件低质量产品。

工业产品的很多表面具有特定属性的物理结构，以提高产品的功能或改善其外观。一些典型范例有：高质量光学部件的极光滑表面、刀具上的抗磨损层、油漆的表面、化妆品包装和装饰性个人护理产品表面的带精细纹理的塑料部件、金属片中制造的轧制织构的压制以及汽车工业的高光泽金属外观喷漆。

称这些和很多其他产品具有表面织构。人们把织构看成是决定人机界面的性质，换言之，即决定产品大致的手感和外观。织构的“目视部分”被称为光学外观。光学外观是表面与从环境入射到表面上的光作用的结果。在很多情况下入射光来自很多方向，并且由于表面粗糙度或结构、或存在小颗粒，入射光可能会被反射、透射、再发射、吸收、着色、漫射和散射。

通常用三种方法之一或多个进行对光学外观织构的评估：视觉比较、光泽和色彩测量以及机械表面几何图形测量。

视觉评估是由受过训练的人员将产品表面与特定标准织构表面进行视觉比较来完成的。视觉外观由表面的几何轮廓和材料自身的光学性质决定。浅色表面很难进行例如划痕的视觉织构评估，因为织构的影响被强反射所掩盖。对肉眼来说，白色的、中等粗糙的或中等精细的表面看起来并非悬殊很大。

光泽计是一种简单设备，其在表面上投射光束并测量镜面反射光束和镜面反射周围的晕中的漫射光之间的强度比。这是在固定入射角，常常为30或60度下进行的。

利用接触探头进行的机械微几何测量(表面测试)产生表面的1-D、2-D或3-D图。通过数学计算，通过这种方法可以获得很多统计变量，例如公知的粗糙度Ra、平均坡度或峰值计数。该方法试图找到表面光学外观及其几何结构之间的关系。

后两种方法试图定义品质的某些数字，这些数字是从与光学外观有关的观测数据统计推导出的。

总地说来，这些方法的局限性来自于所测参数的间接性。例如，从表面测量导出的精简统计数据包括一些能很好描述表面织构几何形状的品质数字。所提出的主张是，在几何数据和表面的肉眼观感之间存在关系。主观和人为因素使该关系不稳定并不能再现。

作为第二个问题，存在不完整数据区域的局限性。光泽计测量光学性质，但是以非常受限的方式进行测量的：仅一个入射角和两个(直接反射和前向散射)反射方向。这没有处理表面大量的变化、入射角效应、方位角效应和半球形杂散光。产品的光学外观取决于整个半球形中所有反射光(或由半透明材料再发射的光)之和，反射光源于来自整个半球形环境的入射光。

织构表面(具有自然或人为添加的织构的所有表面)的光学外观由反射离开该表面并进入眼睛的光形成。假设平行光束照射到诸如汽车仪表板的中等粗糙表面上，光的一部分沿某一方向镜面反射，但一部分还沿其他方向漫射。将这种表面称为非理想漫射。如图1所示，眼睛1俘获以不同角度从表面2的不同部分3、4漫射离开产品的光。在不同角度光可以具有不同的强度，从而在产品的不同部分表面可能看起来具有不同亮度，例如在角度较低处更暗。

任何沿眼睛俘获的方向之外的其他方向漫射的光，对于眼睛来说完全丢失。对于一般形式的光泽计来说也是这种情况。如果光束指向表面，必须要测量上半球中沿所有方向漫射的光，不是集总地而是要有方向分辨率地测量，以全面描述光学性能。为了完整起见，应当对整个半球形中来自任何方向(即在所有垂直(上升角)和水平(方位角)角度上)的入射光进行该测量。可以通过针对入射高度和方位角的多种组合测量该半球形强度分布来获得漫射辐射的方向和强度的完整图像。用于这种测量的常用方法是用散射仪扫描整个半球形，该散射仪具有如从德国专利申请No.3312948等所公知的移动探测器。在实践中完整的测量耗费很多个小时。

2003年6月10日授予本发明人的美国专利No.6577397在此通过引用并入本文，其中公开的二次散射仪以光控方式照射表面并在整个半球形中测量反射。在各种照明之下暴露出亮度变化和各种随角异色效应(在观看者改变视角时发生的色彩或亮度漂移)以及任何其他光学各向异性。然后软件将这些测量结果转换成适于特定质量控制参数的品质因子。利用预先教授了特性的二次散射仪，可以在少至15秒之内执行完整的测量。

如图2所示，典型的二次散射仪由涂有漫射中性灰色涂层的穹面10以及暗黑色基板11构成，暗黑色基板11具有中心孔12，通过中心孔可以看到样本表面的一部分。形成于穹面表面上的竖直槽13备有光源14，光源14在样本上投射光束15。可以将光源移动到不同的高度或倾角，而光束始终指向样本。可以离开穹面设置光源，由光纤光缆将辐射光束引导到穹面。与样本相邻放置轴外(off axis)凸面镜16。在该凸面镜正上方为用于视频成像装置的成像装置端口17，成像装置用于查看凸面镜中反射的穹面表面的图像，将凸面镜设计成反射穹面的整个内部。可以通过光路中的光阑(未示出)将样本的照明区从大约Φ12mm调节到大约Φ20mm。光斑聚焦在穹面上，具有≈30mRad的直径。可以将分辨率进一步提高到1-5mRad。图2中的反射广角系统16通常会形成内部穹面表面的变形图像。可以向穹面施加规则的暗标记阵列，以校准光学系统造成的图像变形。在随后用软件对图像校正并转换成真实球面立体投影期间暗标记是有用的。不必在所有测量中都使用暗标记，但对于校准测量来说其是有用的。如果表面的形状是已知的，也可以通过光线跟踪或以数学方式计算对变形的校正。

即使由经过很好稳定的DC电压源供电，二次散射仪中使用的光源(通常是卤素白炽灯)也会随时间发生强度漂移，这常常会造成百分之几的变化。这种不稳定性对于其他类型的光学测量设备而言也是问题。补偿光强变化的标准方法是在样本测量之前和一秒钟后用空白测量囊括一系列样本测量。从开始样本测量直到完成系列中最后一次样品测量，用这些空白测量作为校准测量来跟踪强度变化。不过，第一空白测量和第二空白测量之间经过的时间可能超过一小时。

本公开的目的在于在每幅图像中与样本测量同时提供灯测量，于是每幅图像针对光源输出包含其自身的校准基准。

本公开通过从辐射源提供两个辐射束：照明光束和校准光束来实现上述目的。向样本表面引导照明光束，于是照明光束照明样本表面。照明样本表面导致样本表面散射辐射。该散射辐射又入射到投影屏上，由例如数字照相机、数字摄像机等的成像装置对投影屏成像。用广角鱼眼镜头或凸面镜来允许成像装置对最大的投影屏表面成像。

将校准光束引导到成像装置，使得成像装置同时对投影屏图像数据和校准光束数据成像。

用于表征样本表面光学外观的设备包括由半球形穹面和基底形成的外壳。所述半球形穹面具有形成于顶点处的第一孔隙、形成于从顶点偏移的位置的第二孔隙以及形成于半球形穹面底部位置且垂直于顶点的第三孔隙，并且将半球形穹面的内表面的至少一部分配置成投影屏。

配置并定位基底以支撑半球形穹面，使得基底和穹面形成封闭的半球形体积。在基底上与第一孔隙相对地形成开口。靠着基底外表面定位样本表面，使得通过第一孔隙和开口可以看见样本表面的至少一部分。在基底的内表面上设置辅助反射镜，将其与第二孔隙竖直相对、与第三孔隙水平相对地定位。

在封闭的半球形体积之外放置光学成像装置和辐射源，该光学成像装置与第二孔隙和辅助反射镜对准。

辐射源产生第一辐射束，沿第一光路引导第一辐射束，该第一光路始于辐射源，经过第一孔隙和开口并以一入射角终止于样本表面。沿第二光路引导由辐射源与发射第一辐射束同时发射的第二辐射束，该第二光路始于辐射源，通过第三孔隙进入封闭的半球形穹面，通过第二孔隙重新定向并终止于所述光学成像装置。

参考以下描述、所附权利要求和附图，本发明的这些和其他特征、方面和优点将得到更好的理解，附图中：

图1示出了从织构表面散射的入射光的射线表示；

图2示出了现有技术单光束二次散射仪的实施例；

图3示出了根据本公开的双光束二次散射仪的实施例；

图4示出了根据本公开的双光束二次散射仪的另一实施例；

图5示出了根据本公开的双光束二次散射仪的另一实施例；

图6为流程图，示出了利用根据本公开的双光束二次散射仪测量样本表面的光学参数的步骤；以及

图7示出了根据本公开的双光束二次散射仪的又一实施例。

参考图3，辐射源302(例如卤素白炽灯)利用透镜306(如果必要的话)形成照明光束304，以限制光场并将灯的孔径在样本表面308上成像。照明光束304经过第一孔隙310，于是进入设备300的封闭半球形体积312内，该半球形体积312由半球形穹面外壳318和覆盖半球形穹面外壳318的底部分的基底320形成。第一孔隙310形成于半球形穹面外壳318的顶点处，并可被构造成从半球形穹面外壳318顶点沿终止于基底320的弧的至少一部分延伸的狭缝。将照明光束304配置为沿该弧移动，从而提供了从0°和90°之间的多个角度照明样本表面308的能力。

入射到样本表面的照明光束304造成了由表面反射的光。通常，该反射光314在投影屏316上形成散射图案(未示出)，该散射图案在反射角和强度以及其他光学性质方面有所变化。散射图案变化的程度取决于样本表面的具体织构和光学性质。例如，光滑而高反射的表面将产生相应均匀的散射图案，而非常粗糙的无光泽面往往会在整个散射图案上产生很大变化。

投影屏316形成于半球形穹面外壳318的内表面上。不过，不必将半球形穹面外壳318的整个内表面都配置为投影屏。

基底320提供与第一孔隙310垂直对准的中心开口322。该开口322允许以光学方式到达靠着基底320的外表面放置的样本表面308的至少一部分。

或者，可以用平台或其他支撑装置(未示出)替代开口，其中在光学性质测量期间可以放置样本表面308。不过，需要将基底320配置成可从半球形穹面外壳318移除，需要将设备300的尺寸设计成可在内部容纳样本表面308。

半球形穹面外壳318之外放置光学成像装置324。光学成像装置324竖直地对准形成于半球形穹面外壳318上并偏离第一孔隙310的第二孔隙326。此外，光学成像装置324和第二孔隙326与基底320上定位的凸面镜328以如下方式对准，向光学成像装置324提供投影屏316的广角图像。

辐射源在产生照明光束304的同时还产生校准光束330。校准光束被引导经过位于半球形穹面外壳318下部上并与凸面镜328水平对准的第三孔隙332。校准光束330入射到凸面镜328上并被反射到光学成像装置324。或者，可以在凸面镜附近放置第二反射镜(未示出)，替代凸面镜用于将校准光束反射到光学成像装置324。可以在校准光束330的光路中放置各种光学部件，例如滤光片336和漫射体334，以根据需要配置校准光束的光学性质。置于第三孔隙332上方的挡板338防止反射光314以及其他环境光干扰校准光束330及其光学部件334和336。

光学成像装置同时记录投影屏图像和校准光束数据，其中记录的一部分含有校准光束数据，而记录的其余部分含有投影屏图像。通过这种方式，每一记录都含有被投射到投影屏316上的样本表面308的光学性质以及校准数据。用校准数据来表征照明光束304的光学性质，从而能够在分析投影屏图像期间补偿辐射源302的输出的光学变化。

设备300可能易于在光学成像装置的光路中产生杂散光，因为在照明光束304位于顶点处的第一孔隙310处时，光学成像装置324必须要通过照明光束304观察。因此，在如图4所示的另一个实施例中，凸面镜328相对于校准光束330置于半球形穹面外壳318的远端。此外，光学成像装置324和第二孔隙326与凸面镜328竖直对准。校准光束330跨过样本表面308传播到凸面镜328并被向上反射到光学成像装置224。

图5中示出了又一个实施例，该实施例组合了图3和图4的方案。如图4所示，凸面镜328、第二孔隙326和光学成像装置位于照明光束304的路径之外。第三孔隙形成于半球形穹面外壳318最接近凸面镜328的一部分上。光纤细丝502将校准光束330从辐射源302引导到第三孔隙332。

参考图6的流程图，示出了测量样本表面光学参数所需的步骤。从步骤601开始，在基底320下定位样本表面308，使样本表面308的一部分与开口322对准。在步骤603中，激活辐射源302，产生照明光束304，在步骤605中照明光束304照明样本表面308。此外，在步骤607中从辐射源302同时发送校准光束330。在步骤609中将样本表面308散射的光投射到投影屏316上。前进到步骤611，光学成像装置324对投影屏成像，同时在步骤613中接收校准光束。该过程结束于步骤615，在该步骤生成电子图像，该电子图像的一个部分中具有屏幕数据，该电子图像的第二部分中具有校准数据。

本公开中所用的光源302不限于卤素灯，而是可以包括放电灯和激光光源，放电灯例如是金属卤化物、汞蒸汽、钠蒸气灯等。放电灯通常提供比卤素灯更高强度的光输出。

随着时间推移，放电灯在各发射方向之间更有可能发生非均匀光强和色彩分布。例如，沿垂直于灯长轴的一组方向放电灯可能会发射出淡黄-白色光，而沿着长轴则发射更多的带蓝色的白色光。强度也是同样情况。

此外，在放电灯加热时，放电的形状和位置，即灯内产生照明的实际点会有变化，从而进一步以不均匀的方式改变灯的特性。

在使用放电灯时上述实施例不会全部有效。因此，图7中提供了另一实施例，该实施例克服了放电灯的这些非均匀特性。现在参考图7的实施例，以与图5所示大致相同的方式构建二次散射仪700。

不过，在本实施例中光源702为放电灯，该放电灯输出初始光束704。然后利用振幅分束器710，例如金属化薄膜或立方体分束器将初始光束704分成照明光束706和校准光束708。如前述实施例中那样，将照明光束引导到半球形穹面外壳318的顶点，而通过第三孔隙332引导校准光束并向前引导至光学成像装置324。由于照明光束706和校准光束708源自于同一初始光束704，二者都共享许多相同的特性，因此可用于补偿更宽范围的因子。

应当指出，本实施例利用白炽灯乃至激光源都可以同样工作。实际上，在使用激光源时，还可以补偿偏振分布的变化。

可以利用视频成像装置获得视频(例如25Hz)的图像。提供了了对照明光束高度和样本方位角的连续调节，从而能够在几分钟内获得整套图像，即几百幅图像，以形成进一步数据处理的基础。

此外，如果使用了彩色视频成像装置，同样的测量还提供了关于样本的波长相关性能的数据。彩色视频使用了三个波长段，从CIE意义上讲这不是真正的彩色测量，不过这给出了非常有用的样本的方向相关色彩信息。对于诸如全息图的衍射表面来说这有着特殊好处。

通常，成像装置意在查看屏幕上的图像，而样本自身对于成像装置而言不是可见的。在设备的特定实施例中，有措施使样本自身可直接由成像装置成像。可以通过从反射镜向样本轻微转动成像装置来将成像装置对准样本。在这种观察模式下，可以由通过照明穹面内部的一个或多个其他灯获得的漫射光来照明样本。也可以用准直光束或通过投射在屏幕上的亮斑来照明样本。根据要观察的样本的期望特征，离开样本的光束或光斑的镜面反射可以落在成像装置中或落到成像装置一侧。观察模式允许提取出样本织构的不同特征，因为是直接而非经由类似傅里叶的变换观察样本。

可以将屏幕用于反射或透射，其具有投影屏的通常性质。形成于屏幕上的二维图像代表了在样本位置处设置的样本所散射的辐射的角分布。因此该图像为样本物理性质的类似傅里叶的变换，其中将样本物理性质的空间变化转换成辐射能的角变化。使用例如摄像机的成像装置能够快速捕捉作为散射辐射完整分布的图像。

可以通过反射或透射方式研究样本表面。在后一种情况下，要探测的照明光束和散射辐射位于样本的相对侧，测量值不仅表示样本入射和/或出射表面的物理性质而且表示其内部的物理性质。可以将样本安装在可调节的台上，以允许改变样本的方位角。

本文所述的本发明的实施例意在进行说明而非限制，不代表本发明的每个实施例。在不背离本发明的精神和范围的情况下可以做出很多变型和改变，本发明的精神和范围如以下权利要求中从字面上以及从法律上认定的等价要件所界定。

Claims (21)

1、一种用于表征样本表面308的光学外观的设备300，所述设备300包括：

上部外壳318，其具有顶表面上中心位置处的第一孔隙310、形成于从所述第一孔隙310偏移的位置处的第二孔隙326以及形成于所述上部外壳318的底部位置处并垂直于所述第一孔隙310的第三孔隙332，所述上部外壳318具有被配置成投影屏316的内表面；

被配置并定位成支撑所述上部外壳318的基底320，所述基底320和所述上部外壳318形成封闭体积312，并且所述基底320具有与所述第一孔隙310相对定位的开口322，使得当靠着所述基底320的外表面定位所述样本表面308时，通过所述第一孔隙310和所述开口322可以看见所述样本表面308的至少一部分；

辅助反射镜328，其设置在所述基底320的内表面上，并与所述第二孔隙326和所述第三孔隙332光学相通；

位于所述封闭体积312之外的辐射源302；

由所述辐射源302产生的第一辐射束304，所述第一辐射束304被沿着第一光路引导，所述第一光路始于所述辐射源302，经过所述第一孔隙310、所述开口322并以一入射角终止于所述样本表面308；

光学成像装置324，位于所述封闭体积312之外，并与所述第二孔隙326和所述辅助反射镜328光学相通；以及

由所述辐射源302在发射所述第一辐射束304的同时发射的第二辐射束330，所述第二辐射束330被沿着第二光路引导，所述第二光路始于所述辐射源302，通过所述第三孔隙332进入所述封闭体积312，通过所述第二孔隙326重新定向并终止于所述光学成像装置324。

2、根据权利要求1所述的设备300，其中，所述第一辐射束304和所述第二辐射束330源自由所述辐射源702产生的初始辐射束704，所述初始辐射束704被引导向分束器710，以将所述初始辐射束704分成所述第一辐射束304和所述第二辐射束330。

3、根据权利要求1所述的设备300，其中，所述第一光路和所述第二光路的一个或多个部分经过光纤细丝502。

4、根据权利要求1所述的设备300，其中，将所述上部外壳318的尺寸设计为半球形穹面，且所述封闭体积为封闭的半球形体积。

5、根据权利要求4所述的设备300，其中，所述第一孔隙310的尺寸被设计为沿从所述顶点到所述基底320的弧的至少一部分的狭缝；且所述第一光路可沿所述第一孔隙310移动，从而可以在0°和90°范围内选择所述入射角。

6、根据权利要求1所述的设备300，其中，所述辐射源302产生可见光辐射束。

7、根据权利要求1所述的设备300，还包括用于定位所述样本表面308的可移动台。

8、根据权利要求1所述的设备300，其中，可以定位所述第一辐射束304，从而在所述样本表面308光学透射时通过所述样本表面308照明，使得所述照明的至少一部分通过所述样本表面308透射并进入所述半球形体积312中。

9、根据权利要求1所述的设备300，还包括由所述辐射源302产生的第三辐射束，引导所述第三辐射束从不和所述第一辐射束304光学相通的一侧照明所述样本表面308，当以透射模式执行对光学外观的表征时采用所述第三辐射束。

10、根据权利要求1所述的设备300，还包括沿所述第三孔隙332的至少一部分定位在所述上部外壳318的所述内表面上的挡板338，所述挡板338被配置成阻止散射辐射314干扰形成所述第二光路的任何光学部件334，336。

11、根据权利要求1所述的设备300，其中，所述辅助反射镜328为凸面镜，定位所述凸面镜以将所述投影屏316的至少一部分反射到所述光学成像装置324。

12、一种用于测量样本表面的光学参数的方法，所述方法包括：

用来自光源302的第一光束304照明605所述样本表面308；

在投影屏316上截取609被所述样本表面308散射的光314；

利用成像装置324对所述投影屏316成像611；以及

将第二光束330引导607到所述成像装置324，所述第二光束330由所述光源302与所述第一光束304同时产生。

13、根据权利要求12所述的方法，还包括在半球形穹面318的内表面上定位所述投影屏316。

14、根据权利要求12所述的方法，其中，照明605所述样本表面308的所述步骤包括沿着至少部分由光纤细丝502构成的光路引导所述第一光束304和所述第二光束330中的至少一个。

15、根据权利要求12所述的方法，还包括沿着竖直弧可移动地定位所述第一光束304。

16、根据权利要求12所述的方法，还包括：

将所述成像步骤611中产生的图像传输615到图像处理器，所述图像具有表示所述投影屏316的数据和表示所述第二光束330的数据；以及

将所述图像转换成光学参数测量值。

17、根据权利要求16所述的方法，还包括：从所述投影屏数据316分离表示所述第二光束330的所述数据，所述分离步骤在所述转换步骤之前执行。

18、根据权利要求16所述的方法，还包括：在执行所述转换时，由所述图像处理器使用表示所述第二光束330的所述数据补偿所述光源302的光学性质的变化。

19、一种用于测量样本表面308的光学参数的设备300，所述设备包括：

用来自光源302的第一光束304照明所述样本表面308的装置；

用于在投影屏316上截取被所述样本表面308散射的光314的装置；

用于对所述投影屏316成像的装置；以及

用于将第二光束330引导到所述成像装置324的装置，所述第二光束330由所述光源302与所述第一光束304同时产生。

20、根据权利要求19所述的设备300，还包括：

用于将所述成像装置324产生的图像传输到图像处理器的装置，所述图像具有表示所述投影屏316的数据和表示所述第二光束330的数据；以及

用于将所述图像转换成光学参数测量值的装置，所述转换装置利用表示所述第二光束330的所述数据补偿所述光源302的光学性质的变化。

21、根据权利要求20所述的设备300，还包括用于从所述投影屏316数据分离表示所述第二光束330的所述数据的装置，所述分离装置在激活所述转换装置之前执行所述分离。

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