CN103076305B - 一种材料表面漫反射特性的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于环形光电探测器阵列用于测量材料表面漫反射特征的测量装置，包括准直光源、旋转台、若干只光电探测器和信号记录设备，若干只光电探测器布置在一只圆环固定架的架体上，起始测量线和终止测量线之间的夹角为270°；准直光源设置在圆环固定架的架体上，出射光方向正对圆环固定架的圆心，且出射光方向与起始测量线之间的夹角为90°；旋转台设置在圆环固定架的中部，并可带动待测量材料绕旋转台转动角度。该装置具有结构紧凑，可靠性高、使用方便、对光源的稳定性要求不高等特点。

Description

一种材料表面漫反射特性的测量装置

技术领域

本发明涉及一种材料表面漫反射特性测量的装置，尤其是利用光纤激光和环形光电探测器阵列测量材料表面漫反射特性的装置。

背景技术

在激光参数测量中，材料表面的漫反射特性是设计漫反射屏及积分球等衰减取样结构的重要依据。在激光辐照效应研究中，材料表面的漫反射特性测量是获得材料的激光耦合系数的重要手段，也是开展激光辐照效应实验研究的基本方法，对分析激光与物质相互作用机理具有重要意义。

目前，关于材料表面漫反射特性测量，通常采用积分球法或共轭椭球法。但是这两种方法只能测量材料表面的总反射率而不是反射率在各个方向的分布。对于材料反射特性空间分布测量，通常采用的方法是将光源入射至材料表面，并通过空间移动扫描的光电探测器得到材料反射面在不同入射角度下的反射光强分布，再将待测量材料转动某个角度范围，进而得到材料在不同角度入射条件下的漫反射特性。

这种方法只采用一只探测器，成本低，但由于要测量不同角度下的空间点光强分布，故测量时间长，效率低。此外对于出光中运行耗费较高、且稳定性欠佳的光源如DF电激励激光器，在移动光电探测器的过程中，光源的强度变化将影响到测量结果的准确性。虽然对光源进行分光以实时监测光强变化是一种可行的方法，但这样做会增加系统的复杂度，而且复杂的光路设计也会影响到系统的可靠性和测量结果的准确性

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于环形光电探测器阵列的材料表面漫反射特性测量装置，克服常规单只探测器扫描测量中存在的故测量时间长，效率低等不足，并具有结构紧凑，可靠性高、使用方便、对光源的稳定性要求不高等特点。

本发明的技术解决方案是：

一种材料表面漫反射特性测量装置，其特殊之处在于：包括准直光源、旋转台、圆环固定架、若干只光电探测器和信号记录设备，所述的若干只光电探测器布置在圆环固定架上，光电探测器的光敏元正对圆环固定架的圆心，起始探测器和圆环固定架圆心的连线构成起始测量线，终止探测器和圆环固定架圆心的连线构成终止测量线，且起始测量线和终止测量线之间的夹角为270°；所述的准直光源设置在圆环固定架上，出射光方向正对圆环固定架的圆心，且出射光方向与起始测量线之间的夹角为90°；所述的旋转台设置在圆环固定架的中部，旋转台转轴穿过圆环固定架的圆心，并垂直于若干只光电探测器构成的测量平面；所述的待测量材料固定在旋转台上，且待测量材料的反射面穿过旋转台的转轴；所述的若干只光电探测器输出端与信号记录设备电联接。

上述的若干只光电探测器在起始测量线和终止测量线之间等角度间隔布置。

上述的旋转台由步进电机驱动。

上述的信号记录设备为示波器或数据采集系统。

上述的准直光源为激光器。

上述的激光器为光纤激光器，且光纤激光器的输出端设置有准直透镜。

上述的圆环固定架表面经过氧化发黑处理。

本发明的有益效果如下：

1、本发明采用沿圆弧布置的探测器线阵，实现了反射材料在同一光入射角度下不同位置处漫反射光强的同时测量，并通过旋转反射材料，实现了不同光入射角度下材料漫反射特性的测量，具有测量效率高、时间短等特点，并降低了对光源的稳定性的要求。

2、本发明采用圆环固定架布置探测器和准直光源，并采用步进电机带动设置在圆环固定架中部的旋转台转动，具有结构紧凑，使用方便和可靠性高的特点。

3、本发明的探测器线阵仅仅设置在起始测量线和终止测量线之间270°的夹角范围内，并可满足0-90°激光入射角范围内材料表面反射率的测量，在一定程度上节约了探测器数量。

附图说明

图1是本发明材料表面漫反射特性测量装置示意图；

图2是利用本发明测量装置测量得到的石墨标准漫反射片的反射率参数结果；

其中：1—待测量材料；2—旋转台；3—准直光源；4—圆环固定架；5—信号记录设备；6—电连接线；7—光电探测器。

具体实施方式

如图1所示，材料表面漫反射特性测量装置包括准直光源3、旋转台2、若干只光电探测器7组成的线阵和信号记录设备5，光电探测器布置在圆环固定架4的架体上，探测器的光敏元正对圆环固定架4的圆心，起始探测器和圆环固定架圆心构成的起始测量线以及终止探测器和圆环固定架圆心构成的终止测量线之间的夹角为270°；准直光源3设置在圆环固定架的架体上，出射光方向正对圆环固定架的圆心，且出射光方向与起始测量线之间的夹角为90°；旋转台2设置在圆环固定架4的中部，旋转台2转轴穿过圆环固定架4的圆心，并垂直于若干只探测器7构成的测量平面；待测量材料1固定在旋转台2上，且待测量材料1的反射面穿过旋转台2转轴，并可以使得旋转台2带动待测量材料1旋转至不同光入射角度时，材料漫反射光可以入射至光电探测器7的光敏面上。

图1中的实施例中包含27只光电探测器7，光电探测器按照10°角间隔分布在270°范围的圆周上。因为待测材料1的转动角度最大只要求90°，故27只光电探测器即可满足测量需求。安装时，环形光电探测器阵列的圆心应与转台的转动轴重合。为了防止装置内部二次反射对测量结果造成影响，装置内部及环形光电探测器阵列的支架均进行氧化发黑处理。

通过转动光学旋转台2调整激光入射角，入射的光纤激光经过准直透镜准直后，辐照到待测材料1表面，光电探测器7接收材料表面散射光并将光信号转换为电信号，电信号通过信号传输线6传给数据记录设备5进行记录。根据电压信号的幅值和光电探测器的响应率即可计算出散射光的功率，而根据待测材料1的位置，可以计算出不同光电探测器与材料表面法线之间的夹角，从而得到散射光在各个方向的强度分布。

采用本测量方法具有结构紧凑、测量效率高、可靠性高等特点，且对光源稳定度的依赖性不高，提高了测量准确度。

图2给出了采用本发明装置测量得到的激光垂直入射至石墨标准漫反射片时，不同角度的探测器记录的反射光强系数（相对值）结果，激光器采用波长1064nm光纤激光器。实验结果显示石墨标准漫反射片周围散射光的一维强度分布符合余弦分布特征，这是漫反射表面的典型特征，表明测量装置给出的测量结果是可信的，说明了该测量方法和装置可有效用于材料表面漫反射特性的测量。

Claims (6)

1.一种材料表面漫反射特性测量装置，其特征在于：包括准直光源(3)、旋转台(2)、圆环固定架(4)、若干只光电探测器(7)和信号记录设备(5)，所述的若干只光电探测器(7)布置在圆环固定架(4)上，光电探测器(7)的光敏元正对圆环固定架(4)的圆心，起始探测器和圆环固定架(4)圆心的连线构成起始测量线，终止探测器和圆环固定架(4)圆心的连线构成终止测量线，且起始测量线和终止测量线之间的夹角为270°；所述的准直光源(3)设置在圆环固定架(4)上，出射光方向正对圆环固定架(4)的圆心，且出射光方向与起始测量线之间的夹角为90°；所述的旋转台(2)设置在圆环固定架(4)的中部，旋转台(2)转轴穿过圆环固定架(4)的圆心，并垂直于若干只光电探测器(7)构成的测量平面；所述的待测量材料(1)固定在旋转台(2)上，且待测量材料(1)的反射面穿过旋转台(2)的转轴；所述的若干只光电探测器(7)输出端与信号记录设备(5)电联接，所述的若干只光电探测器(7)在起始测量线和终止测量线之间等角度间隔布置。

2.根据权利要求1所述的材料表面漫反射特性测量装置，其特征在于：所述的旋转台(2)由步进电机驱动。

3.根据权利要求1所述的材料表面漫反射特性测量装置，其特征在于：所述的信号记录设备(5)为示波器或数据采集系统。

4.根据权利要求1所述的材料表面漫反射特性测量装置，其特征在于：所述的准直光源(3)为激光器。

5.根据权利要求4所述的材料表面漫反射特性测量装置，其特征在于：所述的激光器为光纤激光器，且光纤激光器的输出端设置有准直透镜。

6.根据权利要求1所述的材料表面漫反射特性测量装置，其特征在于：所述的圆环固定架(4)表面经过氧化发黑处理。