CN102162751B - 空间光学分布函数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间光学分布函数测量方法，其包括以下过程：测量无样品状态下入射光源的垂直入射亮度值及相应的反射立体角，计算通过理论推演得到的空间光学分布函数算子；设置测试角度；根据所述空间光学分布函数算子和所述测试角度，计算空间光学分布函数的绝对量值。在整个测量过程中，采用光谱辐射计作为信号探测系统来测量。本发明将实现辐亮度测量的光谱辐射计作为信号的探测器进行快速测量，既可以将空间光学分布函数测定需要限定的光学条件集成在光谱辐射计上，最大限度的减小了系统误差和分别校准带来的困难；又可以实现整个光谱区域的快速测量，为大量的数据测量带来了方便。

Description

空间光学分布函数测量方法

技术领域

本发明属于光学计量领域，尤其涉及一种光学量的绝对定标测量，更具体地，涉及一种空间光学分布函数的绝对测量定标，可用于测量对象空间光学分布的定标。

背景技术

空间光学分布函数定义为物体表面反射辐亮度与入射辐照度的比值，是关于空间入射角、空间反射角和波长的函数。定义式如下（省略波长因子）：

在可控的入射源立体角dω_i内上式成立，见图1所示。

图1是本发明空间光学分布函数原理图，示出了空间多维转动机构中四种角度的变化。

四种角度指（其中入射平面指入射射线L_i与轴N形成的平面，反射平面指反射射线L_r与轴N形成的平面，底平面内角度的初始边为轴X，坐标原点即轴心为O）：

θ_i——入射射线L_i在入射平面内的角度，即入射射线L_i与轴N之间的夹角；

——入射射线L_i在空间的角度，即入射射线L_i在底平面的投影与轴X之间的夹角；

θ_r——反射射线L_r在反射平面内的角度，即反射射线L_r与轴N之间的夹角；

——反射射线L_r在空间的角度，即反射射线L_r在底平面的投影与轴X之间的夹角。

以上四个角度的变化范围：

θ_i：-90°~+90°，入射平面内以轴N为界，两个象限分别为正负角度；

0°~360°，全部在底平面内；

θ_r：-90°~+90°，反射平面内以轴N为界，两个象限分别为正负角度；

0°~360°，全部在底平面内。

通过上述四个角度的变化，可以实现入射射线L_i和反射射线L_r在空间的定位，即

定位了入射射线L_i在空间的位置，

定位了反射射线L_r在空间的位置。

在自然界中，任何物体都在接收外界对它的光辐射的同时向外辐射各种波长的光，空间光学分布函数有效的把这种入射和反射的光能量揉合到一个量中，对物体这一性能进行了综合地刻画，使其成为有效地描述目标表面在空间的光辐射特性的最佳物理量。它选择了照度作为入射光的评价指标，反映了研究中对入射主要关心的是能量的多少，和材料本身的性能无关，和光源的性能无关（这里只从理论角度讨论，不考虑具体的指标如稳定性，均匀性带来的影响），从而为不同材料的比较打下基础；选择了亮度作为反射光的评价指标，反映了对反射关心的是经过物体表面以后光的明暗强弱的多少。这样，在空间光学分布函数的两个光学分量中，前者只提取了一个和材料与光源都无关的表征能量的值作为分母，后者选取了一个包含了物体表面特质的亮度值作为分子，这样就很好的把二者揉合到一个量中。这样，空间光学分布函数就成为一个带有材料特殊“信号”又可以在相同条件下进行比对的量。集几何与光学两方面综合信息于一身的空间光学分布函数，成为各行业普遍适用的材料性能的评价量与比较量。

目前已有的一些空间光学分布函数测量方法都从理论上对入射照度和反射亮度进行分别测量，在一次测量过程中使用了两种以上的探测器，结构上直观的弓型结构模拟半球空间为基础建立，造成了较大的系统误差，普遍存在较大的不确定度。另一方面，已有的空间光学分布函数测量方法大都采用朗伯体作为承载物进行理论过渡，在实际操作中则用漫射性能比较好的白板作为标准板。这种做法得到的只是近似值，无论选择的漫反射面在多大程度上接近朗伯体，在理论上已经决定了它不是真实值。其中的误差不是测量误差，而是人为的系统误差。

发明内容

（1）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何实现空间光学分布函数的绝对测量定标，达到计量级的不确定度要求。

（2）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种空间光学分布函数测量方法，其包括以下过程：

测量无样品状态下入射光源的垂直入射亮度值及相应的反射立体角，计算通过理论推演得到的空间光学分布函数算子；

设置测试角度；

根据所述空间光学分布函数算子和所述测试角度，计算空间光学分布函数的绝对量值；

所述空间光学分布函数算子的计算公式为：

$K_f=\frac{1}{L_r\left(\mathrm{0,0,180,0}\right){\mathrm{\Ω}}_r}$

其中，Ω_r为反射立体角，L_r(0,0,180,0)为垂直入射的亮度值；

所述空间光学分布函数的绝对量值的计算公式为：

其中，是角度

的反射亮度，θ_i是入射平面角，

入射方位角，θ_r反射平面角，

反射方位角。

上述空间光学分布函数测量方法中，所述测试角度包括入射角和探测角。

上述空间光学分布函数测量方法中，计算所述空间光学分布函数算子时，使用信号探测系统进行测量，通过调整光源的入射角或反射角使所述信号探测系统在被测样品的位置形成的探测面和光源在该位置形成的光斑面重合，以满足入射能量与被探测的反射能量相等。

上述空间光学分布函数测量方法中，所述反射立体角Ω_r的计算公式为：Ω_r＝S/L²，其中，S是信号探测系统在被测样品的位置形成的探测面的面积，L是所述信号探测系统的光学成像装置的入瞳面到被测样品的位置的光路距离。

上述空间光学分布函数测量方法中，所述信号探测系统的探测器为光谱辐射计。

（3）有益效果

本发明空间光学分布函数测量方法可以将实现辐亮度测量的光谱辐射计作为信号的探测器进行快速测量，既可以将空间光学分布函数测定需要限定的光学条件集成在光谱辐射计上，最大限度的减小了系统误差和分别校准带来的困难；又可以实现整个光谱区域的快速测量，为大量的数据测量带来了方便。

附图说明

图1是本发明空间光学分布函数原理图；

图2是本发明实施例的通用空间双定位转动机构三维空间结构示意图；

图3是本发明实施例的通用空间双定位转动机构转动功能示意图；

图4是本发明实施例的空间光学分布函数测量装置的平面分布示意图。

图中，1：大转台电机；2：小转台电机；3：俯仰调节电机；4：投影调节电机；5：大转台；6：入射射线载台；7：小转台；8：平面架载台；9：平面载体；10：平面架；11：平面物（即图1中底平面）；12：入射射线；13：反射射线；14：平面法线（即图1中轴N）；11、12、13、14的交点即为轴心O；15：氙灯；16：固定大小光阑；17：可调大小光阑；18：氙灯电源及配重；19：样品架；20：中性玻璃；21：衰减片；22：辐亮计（PR715）；23：可调高度平台；24：凸透镜。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不限制本发明的范围。

对于一束均匀的入射平行光来说，空间光学分布函数可以表示为

同理，

将式（3）与式（4）作比：

在式（5）中，如果令

则有

在物理意义上，条件

可以理解为一个全反射的样品，它将接收到的入射能量全部反射，当然这样的实验条件在实际中是无法满足的。本发明方法采用下面的推导来实现这一实验条件。

此时如果令θ_i=0°，θ_r=180°，则cosθ_i=1，cosθ_r=1，式（6）可以转换为：

$\frac{L_r\left(\mathrm{0,0,180,0}\right){\mathrm{\Ω}}_r{A}_r}{E_0{A}_i}=1---\left(7\right)$

这种角度条件的实现是将光源垂直于样品入射，即θ_i=0°。同时将探测器直接对准样品的背面，其镜头聚焦到样品位置，即θ_r＝180°。然后将样品取掉，就实现了

此时是Ф_r(0，0，180，0)/Ф_i(0，0)=1。

如果令A_r＝A_i，则从式（7）可推导出：

E₀=L_r(0，0，180，0)Ω_r    （8）

式（8）是推导出来的E₀的计算式，而不是它的定义式。这个计算式满足单位的换算关系，但它只是在全面推导所设定的种种条件束缚下成立的。它并不代表物理意义上入射照度和反射亮度有这样的普适关系。

将式（8）代入式（2）即得：

式中Ω_r是可以通过透镜系统的几何参数计算出来的常量。这样利用式（9）就可以完成空间光学分布函数的绝对测量。为方便起见，定义一个K_f值：

$K_f=\frac{1}{L_r\left(\mathrm{0,0,180,0}\right){\mathrm{\Ω}}_r}$

K_f是通过测量垂直入射的亮度和相应的立体角得到的。则式（9）简化为：

式（10）即是本发明方法的实际测量计算公式。利用它，可以实现空间光学分布函数的绝对标定。

本测量方法依托空间双定位转动机构完成，该机构如图2和图3所示。图2是本发明通用空间双定位转动机构三维空间结构示意图；图3是本发明通用空间双定位转动机构转动功能示意图。该通用空间双定位转动机构包括大转台5，用作所述转动机构的底座，其上承载所述转动机构的其它组成部分并能带动被承载物进行转动，其侧面安装有大转台电机1；入射射线载台6，位于大转台5上；小转台7，位于入射射线载台6上，用于承载装置并能带动其上的被承载物进行转动，其侧面安装有小转台电机2；平面架载台8，位于小转台7上，其上承载平面架10；平面架10，位于平面架载台8上，其上安装有平面载体9，其侧面安装有俯仰调节电机3；平面载体9，通过销轴安装在平面架10上，其上安装有平面物11，以及投影调节电机4；平面物11，位于平面载体9上。

大转台电机1可以带动大转台5上的所有机构（包括2-11的所有机构）实现如图3中所示的XY平面内360°转动。小转台电机2可以带动小转台7上的所有机构（包括3、7-11所有机构）实现如图3中所示的XY平面内360°转动。俯仰调节电机3可以带动平面载体9、平面物11绕平面架10的轴实现绕轴360°转动。投影调节电机4可以带动平面物11绕平面法线14实现360°转动。

使用空间双定位转动机构测量空间光学分布函数的方法描述如下：

（1）硬件联机及其参数设置

需要联机的硬件包括两方面，一是带动4个转动的步进电机的驱动器的联机，二是探测器的联机。

（2）测量初始化

初始化主要是为开始测试做硬件和软件上的准备工作。硬件准备指4个电机回到初始零位，软件准备指各数据变量建立新的对象，并将探测器置于可以开始测试的状态。

由于开始测试的第一项是测量K_f，所以4个转动机构都从开机以前的状态转到测量K_f需要的角度。转动结束的条件是形成入射角θ_i＝90°，反射角θ_r＝-90°。两个转台的驱动电机是靠光耦定位的，并且是单方向的，这样保证了误差也是单方面的。

（3）K_f的计算

前面已经指出，K_f定义的物理意义是空间光学分布函数算子，其单位是1/S_r。它的确定是通过测量垂直入射的亮度和相应的立体角，然后计算完成的。所以测量步骤包括垂直入射的亮度和相应的立体角的测量，以及相应的计算。

在完成这个工作的时候，应该先把小转台上的样品架摘掉。然后运行电机1转动90度，方向根据实际情况进行选择，这样小转台就不会挡住入射光路。在电机1转动完成以后，也就是光源到位以后，需要调整探测器前的视场角，使其在原样品的位置形成的物面和光源光斑在这一位置重合，形成测得K_f值的基本条件

K_f的定标方法为：依托图4所示实际测量实现装置（图中：15：氙灯（光源）；16：固定大小光阑；17：可调大小光阑；18：氙灯电源及配重；19：样品架；20：中性玻璃；21：衰减片；22：辐亮计（PR715）；23：可调高度平台；24：凸透镜）。通过旋转大小转台5和7实现光源15、样品架19和成像测量装置在一条直线上，此时去掉样品架19，通过调整成像装置的成像面，使得该成像面和光源15在该位置形成的光斑面重合，从而达到定标K_f的条件。

反射立体角Ω_r是根据测量视场角的大小、探测器面和样品面的距离大小计算而得的。反射立体角Ω_r的计算公式为：Ω_r＝S/L²，其中，S是所述信号探测系统在被测样品位置形成的探测面的面积，L是所述信号探测系统的光学成像装置的入瞳面到被测样品位置的光路距离。本实施例中，经实验测量计算得Ω_r=0.0081S_r。

然后读取这个条件下的辐亮度值，将这个值和预先测量计算到的立体角按照K_f的定义式计算获得K_f值。测量完成后还需要对结果进行选择和计算，以获得需要波长的K值，并使最后计算修正后的K_f值更接近真实值。

考虑到光源的稳定性，环境的变化等综合因素的影响，每次开机测量都应该标定一次K_f值，这样对于本轮测量来说，K_f值的误差影响最小。

（4）测量角度的选择和设定

获得K_f后可以开始本轮样品测试，需要设置测试的角度，包括入射角，探测角的设置。

（5）循环数据测量

按照步骤（4）中设定要的一系列入射角和探测角，驱动大小转台转动获得第一个角度，然后探测器读取此时的辐亮度值。再驱动大小转台转动循环获得其它需要的角度并读取相应的辐亮度值。这一系列步骤通过以下算法实现。

（6）结果计算及其图形化显示

至此，空间光学分布函数的测量方案设计完成。下面为测试方案的完整算法。

算法的简要说明如下：

1步是对转台电机的驱动进行参数设置，包括端口选择，通道选择和频率选择；

2步是对承担数据采集及前期处理任务的探测器进行参数设置；

3步是初始化的过程；

4步是实际测试得到公式中K_f值的过程；

5步是需要测试的角度设置，包括入射角，探测角的设置；

6步到14步是循环测试过程；

15步是对选择出来的探测器的数据和本次修订的K_f的进行计算，得出最终的结果；

16步是将上述结果图形化显示出来。

本发明实施例通过对空间光学分布函数的定义式有针对性地进行理论推导，得出适合实际操作的测量实用公式，由此建立的测量系统实现了准确的绝对测量。特色是将空间光学分布函数的所有测量量都使用同一探测器作为接收器，从根本上减少了系统误差，提高了测量结果的准确性。比空间光学分布函数更为简单的光学指标是能量比，即双向反射能量和入射能量的比，上述实施例即实现了在一套测量系统上同时实现能量比与反射因数的测量。另外，本发明采用的绝对量值复现系统设计，在理论上将所有测量量转化为一个测量量并用一个探测器实现测量，在结构上尽可能减少光源和探测器等精密部件的空间转动，而以样品的多维转动实现空间定位。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种空间光学分布函数测量方法，其特征在于，包括以下过程：

测量无样品状态下入射光源的垂直入射亮度值及相应的反射立体角，计算通过理论推演得到的空间光学分布函数算子；

设置测试角度；

根据所述空间光学分布函数算子和所述测试角度，计算空间光学分布函数的绝对量值；

所述空间光学分布函数算子的计算公式为：

$K_f=\frac{1}{L_r\left(\mathrm{0,0,180,0}\right){\mathrm{\Ω}}_r}$

其中，Ω_r为反射立体角，L_r(0,0,180,0)为垂直入射的亮度值；

所述空间光学分布函数的绝对量值的计算公式为：

其中，

是角度

的反射亮度，θ_i是入射平面角，

入射方位角，θ_r反射平面角，

反射方位角。

2.如权利要求1所述的空间光学分布函数测量方法，其特征在于，所述测试角度包括入射角和探测角。

3.如权利要求1所述的空间光学分布函数测量方法，其特征在于，计算所述空间光学分布函数算子时，使用信号探测系统进行测量，通过调整光源的入射角或反射角使所述信号探测系统在被测样品的位置形成的探测面和光源在该位置形成的光斑面重合，以满足入射能量与被探测的反射能量相等。

4.如权利要求1所述的空间光学分布函数测量方法，其特征在于，所述反射立体角Ω_r的计算公式为：Ω_r＝S/L²，其中，S是信号探测系统在被测样品的位置形成的探测面的面积，L是所述信号探测系统的光学成像装置的入瞳面到被测样品的位置的光路距离。

5.如权利要求3或4所述的空间光学分布函数测量方法，其特征在于，所述信号探测系统的探测器为光谱辐射计。

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