CN102323240B

CN102323240B - 室内全自动brdf测量装置

Info

Publication number: CN102323240B
Application number: CN 201110209229
Authority: CN
Inventors: 李新; 郑小兵; 袁银麟; 徐骏; 戚涛
Original assignee: Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2011-07-25
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2031-07-25
Also published as: CN102323240A

Abstract

本发明公开了一种室内全自动BRDF测量装置，包括有支撑平板，支撑平台上有水平转台，样品台安装在水平转台的中心通孔中，水平转台上安装有镜头支架，镜头支架上安装有镜头转臂，镜头转臂臂端安装有光谱仪镜头，光谱仪镜头的光轴始终指向所述样品台中心，支撑平台上还安装有光源导轨，光源导轨上设置有人工光源，人工光源光轴始终指向样品台中心。本发明BRDF测量装置能够有效提高定位精度，降低了测量周期，同时光源准直性和均匀性得以提高，进而有效地保证了测量精度。

Description

室内全自动BRDF测量装置

技术领域

本发明涉及光辐射测量装置领域，具体为一种室内全自动BRDF测量装置。

背景技术

自然界物体的反射大部分表现为非朗伯性，即目标的反射特性和波长及入射、反射的几何方向相关。测量物体的双向反射分布函数（Bidirectional Reflectance Distribution Function）可以准确的描述物体的这种方向反射异性，BRDF反映了物体的本质属性。

BRDF的测量原理如图1所示。光源照射物体，传感器在空间各个方向观测物体，处理各观测方向的反射值，可以表征出物体的方向反射特性，并可以建立数学模型描述物体的BRDF特性。准确测量BRDF要求：光源的发散角和传感器的视场角尽可能的小；光源、传感器的定位精度高；入射方向、观测方向足够多；测量过程中受环境影响的杂散光低。

在遥感领域，随着多角度及定量化遥感的发展，反演、表征目标的BRDF越来越重要。在室外环境下，由于受到太阳运动、天气变化、天空漫射光的影响，BRDF观测精度受到很大影响。室内测量可以避免室外环境的影响，能够有效地校验遥感结果，促进遥感精度的提高。

在计算机图形学领域，虚拟物体的真实感很大程度上取决于对物体反射特性模拟准确性。室内测量BRDF具有环境控制容易、操作方便、精度高的优势，依据其测量结果描述物体的BRDF能够显著提高计算机处理图形的真实感。

传统的室内BRDF测量机构由于操作机构简陋，存在着定位精度低、测量点少、测量周期长、光源准直性和均匀性差等缺陷，测量精度难以保证。

发明内容

本发明的目的是提供一种室内全自动BRDF测量装置，以解决现有技术室内BRDF测量机构测量精度难以保证的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

室内全自动BRDF测量装置，包括有水平设置的支撑平板，其特征在于：所述支撑平台上转动安装有具有中心通孔的水平转台，有台面水平的样品台安装在水平转台的中心通孔中，所述样品台、水平转台的中心竖直轴线重合，水平转台上安装有竖直的镜头支架，所述镜头支架上安装有沿水平方向伸向样品台上方的镜头转臂，镜头转臂位于样品台上方的臂端安装有光谱仪镜头，光谱仪镜头的光轴始终指向所述样品台中心，所述支撑平台上还安装有架在水平转台上的半圆环形的光源导轨，所述光源导轨的圆心位于样品台面上，光源导轨上设置有在光源导轨上移动的人工光源，所述人工光源光轴始终指向样品台中心。

所述的室内全自动BRDF测量装置，其特征在于：所述人工光源包括灯座、与灯座连接的准直镜筒，灯座中设置有积分球，所述积分球两侧中心位置安装有彼此相互对称的卤钨灯，灯座和准直镜筒结合处开有通光孔，准直镜筒中设置有孔径可调光阑，准直镜筒出光口处设置有准直镜，所述孔径可调光阑位置与准直镜的焦平面重合，所述卤钨灯的出射光经过积分球反射后从通光孔入射至准直镜筒，经过准直镜筒中的孔径可调光阑、准直镜后从准直镜筒出光口出射。

所述的室内全自动BRDF测量装置，其特征在于：所述积分球内壁附着有聚四氟乙烯层。

所述的室内全自动BRDF测量装置，其特征在于：所述准直镜为双胶合准直镜。

所述的室内全自动BRDF测量装置，其特征在于：所述水平转台的转动由电机驱动的涡轮蜗杆实现，水平转台与涡轮中心重合并固定为一体，电机驱动蜗杆带动涡轮转动，进而带动水平转台转动。

所述的室内全自动BRDF测量装置，其特征在于：所述镜头支架上安装有可移动的镜头转臂，光谱仪镜头固定在镜头转臂上，镜头转臂的移动由螺杆螺纹副实现，镜头支架整体的转动由电机驱动的涡轮蜗杆转动实现，镜头支架的转轴与涡轮中心轴重合，镜头支架与涡轮固定为一体，涡轮的轮面与样品台台面垂直，且涡轮的中心轴线与样品台中心竖直轴线相交，蜗杆的支撑部件固定在转台上，蜗杆与涡轮啮合，所述电机通过蜗杆带动涡轮转动，涡轮带动镜头转臂、光谱仪镜头整体以涡轮的中心轴线为中心转动，光谱仪镜头始终指向样品台中心。

所述的室内全自动BRDF测量装置，其特征在于：所述镜头转臂在镜头支架上升降移动。

所述的室内全自动BRDF测量装置，其特征在于：所述光源导轨的导轨面成型为涡轮轮齿，人工光源固定在移动平台上，移动平台通过限位轮限制自身的运动沿导轨移动，移动平台中安装有可转动的蜗杆，蜗杆与涡轮啮合，所述电机驱动蜗杆转动，通过蜗杆带动移动平台、人工光源在光源导轨上滑动。

本发明BRDF测量装置能够有效提高定位精度，降低了测量周期，同时光源准直性和均匀性得以提高，进而有效地保证了测量精度。

附图说明

图1为BRDF的测量原理图。

图2为本发明原理示意图。

图3为本发明结构正视图。

图4为本发明结构俯视图。

图5为本发明结构侧视图。

图6为本发明光谱仪镜头原理图。

具体实施方式

如图2-图5所示。室内全自动BRDF测量装置，包括支撑平板1、水平转台2、镜头支架3、光源导轨4、人工光源5、样品台6，水平转台2及光源导轨4固定在支撑平板1上，镜头支架3固定在水平转台2上，样品台6固定在支撑平板1上位于水平转台2的中心通孔内。镜头支架3转动改变光谱仪镜头7观测天顶角，水平转台2转动改变光谱仪镜头7的观测方位角，人工光源5沿光源导轨4运动改变入射光天顶角，上述三者的运动均由电机驱动，上位机输入参数，控制箱全自动控制。人工光源5的光轴、光谱仪镜头7的光轴、水平转台2的转轴始终相交于一点即样品台中心点，该点是装置各部件运动的球心，也是放置样品的中心。人工光源的光谱范围为可见至短波红外，人工光源发出的均匀准直光照射样品，光谱仪镜头运动到空间各个方向观测样品的反射，获得样品的光谱反射空间分布特性。

水平转台2为蜗轮蜗杆传动，水平转台2具有中心通孔，样品台6穿过中心通孔固定在支撑平板1上，样品放置的样品台6上，保证了样品台6及样品不随水平转台2转动，同时可以调整样品的高度和方位，方便更换样品。

人工光源5由安装在灯座503的积分球501，以及与灯座503连接的准直镜筒502构成，采用卤钨灯照明，提供350-2500nm光谱波段的均匀、准直光；积分球501的内壁材料为聚四氟乙烯，积分球501与准直镜504相连接位置留有出光孔，积分球501两侧中心对称孔安装卤钨灯；准直镜504为消色差的双胶合镜，准直镜筒502内安装了孔径可调光阑505，孔径可调光阑505位置与准直镜504的焦平面重合，改变孔径可调光阑505大小可以调节准直光的发散角、照射强度及照射面积。

光源导轨4导轨面成型为涡轮轮齿状，采用涡轮蜗杆传动，涡轮固定，电机带动安装平台9中的蜗杆转动，进而使蜗杆、人工光源5沿涡轮移动，可以在任意天顶角方向照射样品。

镜头支架3固定在水平转台2上，随水平转台2转动改变观测方位角；镜头支架3采用涡轮蜗杆传动，电机驱动，以涡轮轴线为中心转动，可在任意天顶角观测样品；镜头支架3上连接有镜头转臂8，镜头转臂8上安装光谱仪镜头7，镜头转臂8的高度可调，可以改变对样品的观测面积。光谱仪镜头7采用两片物镜，视场内目标经物镜一成像在场镜二上，物镜一经过场镜二成像在光纤入端面上，即光纤束入端上的每一点接受整个视场范围内目标的反射，保证了光谱仪入射狭缝的均匀照明。

支撑平板1下部安装调整脚调节平板高度和水平，水平转台2、光源导轨4和样品台6直接固定在支撑平板1上，其中水平转台2具有中心通孔，样品台6穿过水平转台2的中心通孔固定在支撑平板1上，镜头支架3固定在水平转台2上。

镜头支架转动改变探测器观测天顶角，水平转台转动改变探测器的观测方位角，人工光源沿光源导轨运动改变入射光天顶角，上述三者的运动均采用涡轮蜗杆传动，电机驱动，控制箱输入参数全自动控制。光源的光轴、镜头光轴、水平转台转轴始终相交于一点，该点是装置各部件运动的球心，也是放置样品的中心。样品台的高度可调，针对不同的样品，调节样品的中心至装置运动球心位置。

积分球的内壁材料为聚四氟乙烯，积分球两侧中心对称孔安装卤钨灯，积分球与准直镜相连接位置留有出光孔。准直镜为消色差的双胶合镜，准直镜筒内安装了孔径可调光阑，孔径可调光阑位置与准直镜的焦平面重合，改变光阑大小可以调节准直光的发散角、照射强度及照射面积。该人工光源提供350-2500nm光谱波段的均匀准直光。

人工光源偏置固定在光源导轨上，沿光源导轨运动，人工光源光轴始终照射在样品中心，改变人工光源的位置，光源改变天顶角方向照射样品。

如图6所示。图中T为目标，L₁为物镜，L₂为场镜， I为光纤入光端面， a为视场角，b为前置光学系统出射角，D₁为物镜孔径，D₂为场镜孔径，D₂为光斑直径，a为物镜场镜间距，b为场镜光纤端面间距。光谱仪镜头采用两片物镜设计，镜头的后端可以和光谱仪的入射光纤相连接，视场内目标经物镜L1成像在场镜L2上，物镜L1经过场镜L2成像在光纤入端面上，即光纤束入端上的每一点接受整个视场范围内目标的反射，保证了光谱仪入射狭缝的均匀照明。

室内全自动BRDF测量装置的上位机作为人机界面，可以输入控制参数通过控制箱全自动控制光源、及观测位置，实现空间的连续观测，并实时显示测量数据，存储测量结果。

首先将测量样品放置在样品台上，调节样品台的高度，保证样品的中心处于测量装置的运动球心，即保证人工光源光斑、观测视场中心始终与样品台中心重合。

室内全自动BRDF测量装置开机初始化，检测并保证人工光源、水平转台、镜头支架均在初始零度位置。通过上位机将人工光源设置到待测方向位置点，测量样品或参考板，优化光谱仪的积分时间。

通过上位机的控制界面，设置观测天顶角间隔、方位角间隔，观测镜头定位在空间各个位置观测样品的反射，上位机实时显示并存储测量数据。当出现测量异常状况时，可以紧急停止测量。测量完成后，人工光源、水平转台、镜头支架均回到初始零度位置。

改变人工光源入射方向或更换样品测量重复上述步骤。处理测量数据得到样品的BRDF。

Claims

1.室内全自动双向反射分布函数BRDF测量装置，包括有水平设置的支撑平板，其特征在于：所述支撑平板上转动安装有具有中心通孔的水平转台，有台面水平的样品台安装在水平转台的中心通孔中，所述样品台、水平转台的中心竖直轴线重合，水平转台上安装有竖直的镜头支架，所述镜头支架上安装有沿水平方向伸向样品台上方的镜头转臂，镜头转臂位于样品台上方的臂端安装有光谱仪镜头，光谱仪镜头固定在镜头转臂上，镜头转臂的移动由螺杆螺纹副实现，镜头支架整体的转动由电机驱动的涡轮蜗杆转动实现，镜头支架的转轴与涡轮中心轴重合，镜头支架与涡轮固定为一体，涡轮的轮面与样品台台面垂直，且涡轮的中心轴线与样品台中心竖直轴线相交，蜗杆的支撑部件固定在转台上，蜗杆与涡轮啮合，所述电机通过蜗杆带动涡轮转动，涡轮带动镜头转臂、光谱仪镜头整体以涡轮的中心轴线为中心转动，光谱仪镜头始终指向样品台中心，所述支撑平板上还安装有架在水平转台上的半圆环形的光源导轨，所述光源导轨的圆心位于样品台面上，光源导轨上设置有在光源导轨上移动的人工光源，所述人工光源光轴始终指向样品台中心。

2.根据权利要求1所述的室内全自动双向反射分布函数BRDF测量装置，其特征在于：所述人工光源包括灯座、与灯座连接的准直镜筒，灯座中设置有积分球，所述积分球两侧中心位置安装有彼此相互对称的卤钨灯，灯座和准直镜筒结合处开有通光孔，准直镜筒中设置有孔径可调光阑，准直镜筒出光口处设置有准直镜，所述孔径可调光阑位置与准直镜的焦平面重合，所述卤钨灯的出射光经过积分球反射后从通光孔入射至准直镜筒，经过准直镜筒中的孔径可调光阑、准直镜后从准直镜筒出光口出射；所述积分球内壁附着有聚四氟乙烯层；所述准直镜为双胶合准直镜。

3.根据权利要求1所述的室内全自动双向反射分布函数BRDF测量装置，其特征在于：所述水平转台的转动由电机驱动的涡轮蜗杆实现，水平转台与涡轮中心重合并固定为一体，电机驱动蜗杆带动涡轮转动，进而带动水平转台转动。

4.根据权利要求1所述的室内全自动双向反射分布函数BRDF测量装置，其特征在于：所述镜头转臂在镜头支架上升降移动。

5.根据权利要求1所述的室内全自动双向反射分布函数BRDF测量装置，其特征在于：所述光源导轨的导轨面成型为涡轮轮齿，人工光源固定在移动平台上，移动平台通过限位轮限制自身的运动沿导轨移动，移动平台中安装有可转动的蜗杆，蜗杆与涡轮啮合，所述电机驱动蜗杆转动，通过蜗杆带动移动平台、人工光源在光源导轨上滑动。