CN102175650A - 连续光谱双向反射分布函数测量装置 - Google Patents

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王治乐
张伟
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连续光谱双向反射分布函数测量装置，它属于光谱学、计算机图形学和机器视觉领域，它解决了现有装置不能够在可见光波段内测量连续光谱BRDF的问题。样品环的中心点为旋转中心，并安在样品水平和竖直方向旋转支架上，所述支架用于带动样品环以旋转中心为中心点在水平面和垂直于水平面的竖直面上旋转；光纤探头安探测器位置调整支架上，并光路指向旋转中心，所述支架用于带动光纤探头以旋转中心为中心点在水平面上旋转，带动光纤探头做运动轨迹穿过旋转中心的一维直线运动，光纤探头信号输出端连光谱仪输入端；旋转控制器用于所述的两个支架的旋转；PC机连光谱仪和旋转控制器；光源组件光束照射在样品环上。应用于测量在可见光波段内的连续光谱BRDF。

Description

连续光谱双向反射分布函数测量装置
技术领域
本发明属于光谱学领域、计算机图形学和机器视觉领域，具体是一种测量测量材料表面光反射特性的装置。
背景技术
双向反射分布函数(Bidirectional Reflected Distribution Function，简称BRDF)，用来描述材料表面上半球空间的光反射特性，主要包括光谱反射特性和角度特性。该函数包含五个参数：入射光的波长λ、入射天顶角θi、入射方位角
Figure BDA0000046247520000011
反射天顶角θr和反射方位角
Figure BDA0000046247520000012
该函数定义为某一反射方向上的辐射亮度与入射到材料表面的辐射照度的比值(如图1)，其表达式为：
Figure BDA0000046247520000013
公式一
式中
Figure BDA0000046247520000014
反射方向上的光谱反射辐射亮度，单位为W/(m2·sr)；
Figure BDA0000046247520000015
——光源沿
Figure BDA0000046247520000016
入射方向辐射到的材料表面的光谱辐射照度，单位为W/m2；——为光谱BRDF，单位为sr-1。
最开始出现的BRDF测量装置称为角度反射测量计(gonioreflectometer)，该装置的测量数据不包含光谱信息，并且测量非常耗时。伯克利大学劳伦斯实验室的Ward对上述测量装置进行了改进，采用了一个半球形反射镜和负眼镜头，大大提高了测量速度。但是该装置不能测量光滑表面，不能测量掠入射时的情况。同样，也不包含光谱信息。
哈尔滨工业大学的戴景民研制了一种光谱BRDF测量装置，采用固定波长的激光器作为光源，因此只能测量几个波长的BRDF数据。安徽光机所设计了一个进行光谱BRDF测量装置，由于其接收器件采用的是光电倍增管，因此需要借助于标准漫反射体才能够测量光谱BRDF数据，不能够直接获得材料表面的光谱BRDF。
发明内容
本发明为了解决现有光谱BRDF测量装置不能够在可见光波段内测量连续光谱BRDF的问题，而提出了一种连续光谱双向反射分布函数测量装置。
连续光谱双向反射分布函数测量装置包括光源组件、探测器组件、测量架组件和控制及数据处理PC机；探测器组件包括光纤探头和光谱仪，测量架组件包括样品环、样品水平和竖直方向旋转支架、探测器位置调整支架和旋转控制器；样品环安装在样品水平和竖直方向旋转支架上，所述的样品环的中心点为旋转中心，所述的样品水平和竖直方向旋转支架用于带动样品环以旋转中心为中心点在水平面上和垂直于水平面的竖直面上旋转；光纤探头安装在探测器位置调整支架上，并且光纤探头的光路指向旋转中心，所述的探测器位置调整支架用于带动光纤探头以旋转中心为中心点在水平面上旋转，还用于带动光纤探头做一维直线运动，所述运动轨迹的直线穿过旋转中心，光纤探头的信号输出端连接光谱仪的输入端；旋转控制器用于控制样品水平和竖直方向旋转支架和探测器位置调整支架的旋转；光谱仪的测量信号输出端和旋转控制器的控制信号输入端分别连接控制及数据处理PC机的测量信号输入端和控制信号输出端；光源组件的光束照射在样品环上。
该装置主要优点就是可以测量在可见光波段内的连续光谱BRDF，该测量装置还可以测量粗糙表面，同样也可以测量具有高反射率的光滑表面。光谱BRDF能够真实的反映材料表面属性，比如光泽度、粗糙度、颜色等。因此，通过测量获得材料表面的真实光谱BRDF数据对研究表面特性很有帮助。测量的光谱BRDF数据不但可以验证理论BRDF模型的下确性，而且还可以直接应用在计算机图形学中，使构造的物体更加真实。同样，在计算机视觉中，利用测量的光谱BRDF数据识别不同的材料，进而对物体进行识别。因此，本发明的光谱BRDF测量装置是十分有意义的，为实验室研究材料BRDF提供实验验证。
本发明的光谱双向反射分布函数测量装置的优点在于：
1、能够获得连续的光谱BRDF数据；
2、具有较快的测量速度；
3、测量精度高；
4、测量装置经济可行。
本发明是一种装置简单、经济可行的快速连续光谱BRDF测量装置。在整个测量过程中，采用PC机通过步进电机控制器控制电控旋转台的旋转角度，以此实现角度的变化，提高了角度旋转的速度和精度。入射辐射照度和反射辐射出射度均用光纤光谱仪进行测量，反射辐射出射度通过后续数据处理便可得到相应的反射辐射亮度。这样用一种仪器便可以实现光谱BRDF的测量，改变了传统的BRDF测量需要照度计和亮度计两种仪器，节省了装置成本。
附图说明
图1是双向反射分布函数的示意图，其中A为入射光线，B为反射光线；图2是本发明的结构示意图；图3是样品水平和竖直方向旋转支架41的结构示意图；图4是探测器位置调整支架42的结构示意图；图5是光源组件2的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图2说明本实施方式，本实施方式中的连续光谱双向反射分布函数测量装置，它包括光源组件2、探测器组件、测量架组件和控制及数据处理PC机1；探测器组件包括光纤探头31和光谱仪32，测量架组件包括样品环40、样品水平和竖直方向旋转支架41、探测器位置调整支架42和旋转控制器43；样品环40安装在样品水平和竖直方向旋转支架41上，所述的样品环40的中心点为旋转中心，所述的样品水平和竖直方向旋转支架41用于带动样品环40以旋转中心为中心点在水平面上和垂直于水平面的竖直面上旋转；光纤探头31安装在探测器位置调整支架42上，并且光纤探头31的光路指向旋转中心，所述的探测器位置调整支架42用于带动光纤探头31以旋转中心为中心点在水平面上旋转，还用于带动光纤探头31做一维直线运动，所述运动轨迹的直线穿过旋转中心，光纤探头31的信号输出端连接光谱仪32的输入端；旋转控制器43用于控制样品水平和竖直方向旋转支架41和探测器位置调整支架42的旋转；光谱仪32的测量信号输出端和旋转控制器43的控制信号输入端分别连接控制及数据处理PC机1的测量信号输入端和控制信号输出端；光源组件2的光束照射在样品环40上。
具体实施方式二：结合图2和图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于探测器位置调整支架42包括探测器水平方向电控旋转台421、导轨422、滑块423、探测器支柱424和探测器调整架425；探测器水平方向电控旋转台421水平放置在平面上，探测器水平方向电控旋转台421用于带动探测器在水平面上旋转；导轨422的一端连接在探测器水平方向电控旋转台421上，并与探测器水平方向电控旋转台421连动，导轨422上安装有滑块423，滑块423用于调节光纤探头31距离样品环40的远近，探测器支柱424的底端安装在滑块423上表面上，探测器支柱424调节光纤探头31的高度，探测器支柱424的顶端安装有探测器调整架425。通过探测器支柱424和探测器调整架425使光纤探头31在整个测量过程中部对准样品环40的旋转中心。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二不同点在于样品水平和竖直方向旋转支架41包括样品水平方向电控旋转台411、L型连接板412、样品竖直方向电控旋转台413和样品支架414；样品水平方向电控旋转台411水平设置在探测器水平方向电控旋转台421上部，并且样品水平方向电控旋转台411与探测器水平方向电控旋转台421的旋转轴重合，样品水平方向电控旋转台411与探测器水平方向电控旋转台421彼此独立旋转，样品水平方向电控旋转台411用于带动样品在水平面上旋转；L型连接板412底板的底面固定在样品水平方向电控旋转台411的上表面上，L型连接板412的侧板位于样品水平方向电控旋转台411一侧的侧面上固定有样品竖直方向电控旋转台413，样品竖直方向电控旋转台413用于带动样品在垂直水平面的竖直面上旋转，并且样品竖直方向电控旋转台413的旋转轴的轴线延长线与样品水平方向电控旋转台411的旋转轴的轴线延长线交于一点，样品支架414的一端安装在样品竖直方向电控旋转台413的旋转轴心上，样品支架414的另一端安装有样品环40，样品支架414用于调节样品环40，并且样品环40的旋转中心与所述的样品竖直方向电控旋转台413的旋转轴的轴线延长线与样品水平方向电控旋转台411的旋转轴的轴线延长线的交点相重合。其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同点在于探测器水平方向电控旋转台421、样品水平方向电控旋转台411和样品竖直方向电控旋转台413安装有步进电机。旋转控制器43采用步进电机控制器。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。样品竖直方向电控旋转台413在竖直面内旋转，带动样品环40做俯仰运动，其旋转角精度为0.003°，样品水平方向电控旋转台411带动L型连接板412及样品环40一起在水平面内旋转，其旋转角精度为0.002°，探测器水平方向电控旋转台421带动光纤探头31在水平面内旋转，其旋转角精度为0.002°。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一、二、三或四不同点在于控制及数据处理PC机1包括控制模块、数据采集模块和数据处理模块，所述的控制模块，用于发送控制三个电控旋转台的旋转角度及旋转顺序信号给旋转控制器43；数据采集模块，用于记录光谱仪32获得的样品辐射出射度；数据处理模块；用于计算双向反射分布函数所需要的参数，其中包括把待测样品的辐射出射度转化为辐射亮度和通过记录下的样品竖直方向电控旋转台413、样品水平方向电控旋转台411和探测器水平方向电控旋转台421在测量中旋转的顺序和角度，来计算入射天顶角θi、入射方位角
Figure BDA0000046247520000041
反射天顶角θr和反射方位角
Figure BDA0000046247520000042
角度计算公式如下：
θi＝arccos(cosαcosβ)                   公式二
Figure BDA0000046247520000051
公式三
θr＝arccos(cosβ(-sinγsinα+cosγcosα))    公式四
Figure BDA0000046247520000052
公式五
式中，α为样品水平方向电控旋转台411在水平面内旋转的角度；β为探测器水平方向电控旋转台421在水平面内旋转的角度；γ为样品竖直方向电控旋转台413在竖直面内的旋转的角度。。其它组成和连接方式与具体实施方式一、二、三或四相同。
具体实施方式六：结合图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五不同点在于光源组件2由光源21、光纤22、光源光纤探头23和准直镜24组成；光源21的输出端连接光线22的输入端，光线22的输出端连接光源光纤探头23的输入端，光源光纤探头23的光输出端的出射光照射在准直镜24的接收面上，准直镜24用于调节出射光为平行光。光源21在可见光波段能够发出连续、稳定的光谱，根据光谱仪32的波段响应，还可以扩展为紫外光源或者红外光源。其它组成和连接方式与具体实施方式五相同。
本发明内容不仪限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

Claims (7)

1.连续光谱双向反射分布函数测量装置，其特征在于它包括光源组件(2)、探测器组件、测量架组件和控制及数据处理PC机(1)；探测器组件包括光纤探头(31)和光谱仪(32)，测量架组件包括样品环(40)、样品水平和竖直方向旋转支架(41)、探测器位置调整支架(42)和旋转控制器(43)；样品环(40)安装在样品水平和竖直方向旋转支架(41)上，所述的样品环(40)的中心点为旋转中心，所述的样品水平和竖直方向旋转支架(41)用于带动样品环(40)以旋转中心为中心点在水平面上和垂直于水平面的竖直面上旋转；光纤探头(31)安装在探测器位置调整支架(42)上，并且光纤探头(31)的光路指向旋转中心，所述的探测器位置调整支架(42)用于带动光纤探头(31)以旋转中心为中心点在水平面上旋转，还用于带动光纤探头(31)做一维直线运动，所述运动轨迹的直线穿过旋转中心，光纤探头(31)的信号输出端连接光谱仪(32)的输入端；旋转控制器(43)用于控制样品水平和竖直方向旋转支架(41)和探测器位置调整支架(42)的旋转；光谱仪(32)的测量信号输出端和旋转控制器(43)的控制信号输入端分别连接控制及数据处理PC机(1)的测量信号输入端和控制信号输出端；光源组件(2)的输出光束照射在样品环(40)上。
2.根据权利要求1所述的连续光谱双向反射分布函数测量装置，其特征在于探测器位置调整支架(42)包括探测器水平方向电控旋转台(421)、导轨(422)、滑块(423)、探测器支柱(424)和探测器调整架(425)；探测器水平方向电控旋转台(421)水平放置在平面上，探测器水平方向电控旋转台(421)用于带动探测器在水平面上旋转；导轨(422)的一端连接在探测器水平方向电控旋转台(421)上，并与探测器水平方向电控旋转台(421)连动，导轨(422)上安装有滑块(423)，探测器支柱(424)的底端安装在滑块(423)上表面上，探测器支柱(424)的顶端安装有探测器调整架(425)。
3.根据权利要求2所述的连续光谱双向反射分布函数测量装置，其特征在于样品水平和竖直方向旋转支架(41)包括样品水平方向电控旋转台(411)、L型连接板(412)、样品竖直方向电控旋转台(413)和样品支架(414)；样品水平方向电控旋转台(411)水平设置在探测器水平方向电控旋转台(421)上部，并且样品水平方向电控旋转台(411)与探测器水平方向电控旋转台(421)的旋转轴重合，样品水平方向电控旋转台(411)与探测器水平方向电控旋转台(421)彼此独立旋转，样品水平方向电控旋转台(411)用于带动样品在水平面上旋转；L型连接板(412)底板的底面固定在样品水平方向电控旋转台(411)的上表面上，L型连接板(412)的侧板位于样品水平方向电控旋转台(411)一侧的侧面上固定有样品竖直方向电控旋转台(413)，样品竖直方向电控旋转台(413)用于带动样品在垂直水平面的竖直面上旋转，并且样品竖直方向电控旋转台(413)的旋转轴的轴线延长线与样品水平方向电控旋转台(411)的旋转轴的轴线延长线交于一点，样品支架(414)的一端安装在样品竖直方向电控旋转台(413)的旋转轴心上，样品支架(414)的另一端安装有样品环(40)，样品支架(414)用于调节样品环(40)，并且样品环(40)的旋转中心与所述的样品竖直方向电控旋转台(413)的旋转轴的轴线延长线与样品水平方向电控旋转台(411)的旋转轴的轴线延长线的交点相重合。
4.根据权利要求3所述的连续光谱双向反射分布函数测量装置，其特征在于探测器水平方向电控旋转台(421)、样品水平方向电控旋转台(411)和样品竖直方向电控旋转台(413)安装有步进电机。
5.根据权利要求4所述的连续光谱双向反射分布函数测量装置，其特征在于旋转控制器(43)采用步进电机控制器。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的连续光谱双向反射分布函数测量装置，其特征在于控制及数据处理PC机(1)包括控制模块、数据采集模块和数据处理模块，所述的控制模块，用于发送控制三个电控旋转台的旋转角度及旋转顺序信号给旋转控制器(43)；所述的数据采集模块，用于记录光谱仪(32)获得的样品辐射出射度；所述的数据处理模块，用于计算双向反射分布函数所需要的辐射亮度、入射天顶角θi、入射方位角
Figure FDA0000046247510000021
反射天顶角θr和反射方位角
Figure FDA0000046247510000022
7.根据权利要求6所述的连续光谱双向反射分布函数测量装置，其特征在于光源组件(2)由光源(21)、光纤(22)、光源光纤探头(23)和准直镜(24)组成；光源(21)的输出端连接光线22的输入端，光线22的输出端连接光源光纤探头(23)的输入端，光源光纤探头(23)的光输出端的出射光照射在准直镜(24)的接收面上，准直镜(24)用于调节出射光为平行光。
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