CN104034663B - 一种利用光纤束的材料空间反射特性测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用光纤束的材料空间反射特性测量仪，包括待测材料(1)、半积分球(2)、外部入射光源(3)、陷光器(4)、传光光纤束(5)、成像光锥(6)、滤光片盘(7)、CCD相机(8)、计算机(9)、高吸收黑色涂层(10)。半球面内表面涂覆高吸收涂层，半积分球的半球面上根据有规律的角度分布设置了小圆孔，并由特殊编码的光纤束来传递材料表面各个角度的反射光信号，最后通过光锥把光信号耦合进入CCD相机的光敏面上，由计算机输出反射光的光强、颜色和角度分布。

Description

一种利用光纤束的材料空间反射特性测量仪

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，特别涉及一种利用光纤束的材料空间反射特性测量仪。

背景技术

测量材料空间的反射特性，在新型光学材料开发、精密光学测量仪器、建筑饰面材料以及材料表面性能分析等应用领域具有重要的意义。可用于材料表面粗糙度测量，分离漫反射和镜面反射成分，发掘光学性能更好的新型材料；用于建筑常用饰面材料的表面亮度、光泽度、反射系数研究，使城市夜景能够既高效又节能；更可用于太阳能集热器材料、轨道卫星表面常用材料等的放置角度、结构的改进；总之，弄清目标材料对光反射的特性是非常重要的。

然而，对于材料空间反射特性的测量，传统的方法是采用各种专门设计的测量仪器和系统，比如：角度光度计、角度分光光度计，他们通过双轴角度计，每间隔10°(少数以5°)为测点，旋转被测材料和入射光源，来测量特定角度下的光度，进而获得光度参数的角度分布特性。这些方法在空间角度分布特性的测量上由于普遍采用了旋转双轴设计，因此导致测量时间长(常需要几分钟甚至30分钟以上)、角度分辨率低、系统结构复杂、测量成本高、精确度低等缺点。而且这些装置都只能测量光强的分布特性，而不能测某一方向的颜色分布特性以及光强与波长的关系。

发明内容

本发明为了弥补上述现有技术的不足，提供了一种利用光纤束的材料空间反射特性测量仪。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种利用光纤束的材料空间反射特性测量仪，包括：待测材料(1)、半积分球(2)、第一圆孔(21)、第二圆孔(22)、第三圆孔(23)、外部入射光源(3)、陷光器(4)、传光光纤束(5)、成像光锥(6)、滤光片盘(7)、用于光电转换测量的CCD相机(8)、计算机(9)、高吸收黑色涂层(10)。

第一圆孔(21)设置于半积分球内底面中心，圆孔可以通过盖子打开或者关闭，用于放置待测材料(1)；第二圆孔(22)设置在半积分球的半球面上偏离圆顶中心30°～60°位置，与其关于原点对称的位置设置着第三圆孔(23)；外部入射光源(3)设置在半积分球的半球面上，并通过第二圆孔给待测材料提供光照；陷光器(4)设置在半积分球球面上与外部入射光源对称的位置；传光光纤束(5)按球面上每隔5°接一根光纤的排列方式全部设置在半积分球的外球面上；成像光锥(6)与特殊编码后的光纤束直接连接，负责把各个角度的光强分布精确的传输到CCD相机上；滤光片盘(7)设置在成像光锥和CCD相机(8)之间；CCD相机(8)直接与计算机(9)连接，负责把光纤束内的光信号转变为电信号并传给计算机；高吸收黑色涂层(10)涂覆在半积分球半球面和底面的内表面。

进一步的，所述半积分球(2)的直径尺寸为500～1000mm；且半积分球的半球面上每隔5°都设置了直径为1mm的小圆孔，一共是35×35＝1225个，这些小圆孔是用来连接传光光纤束的。

进一步的，所述陷光器(4)通过第三圆孔设置在与入射光源对称的位置，圆孔可通过盖子打开或者关闭，其功能是用来吸收外部入射光源照在材料表面后的直接反射光。

进一步的，所述传光光纤束(5)是由1225根光纤有规律的排列并捆绑而成。由于光纤束是根据角度分布而进行特殊编号排列的，各个角度的光纤按规律捆绑成光纤束时会有比较大的弯曲，因而这里所用的光纤为弯曲性能较好的普通光纤、塑料光纤等。

进一步的，所述传光光纤束(5)的功能是把各个小圆孔射出的光耦合进光纤里面并传输给CCD。若是直接耦合的话，损失会比较大，耦合率只有20％～30％，为了提高耦合效率，光纤束(5)中每根光纤的前端进行光纤微透镜处理，把端面做成微型、锥形、楔形、斜面、球面等一些特殊形状，这样能使耦合过程结构紧凑、操作方便、性能可靠，更重要的是可以将耦合效率提高到80％～90％。

进一步的，所述传光光纤束(5)内的光纤，按照半积分球表面小圆孔的角度分布，对其进行特殊的编码如图2，得到光纤束(5)排列成矩阵A的形式，其中如此，CCD相机(8)上的像元分布就能够通过矩阵A找到对应各个角度的光强分布了。

进一步的，所述成像光锥(6)是一种体积小巧的传像器件，一端大一端小，用于将光纤束(5)中的光信号耦合到较小的CCD相机(8)光敏面上。在成像光锥(6)中每根光纤都有很好的光学绝缘(性能)，因此每根光学纤维都能独立地传光，而不受邻近其它光学纤维的影响。光锥各端面可看作呈规则排列的许多取样孔组成的析像器，在传递光信号时，每根光纤都携带一个像元，因而入射于成像光锥(6)端面上的光信号是由1225个亮度不等的像元所组成。这样，每根光纤通过自己的取样孔都独立地传递一个像元，经特殊编码后的光纤(5)中的光信号就能对应的从成像光锥(6)的一端传送至CCD相机(8)的光敏面上。

进一步的，所述滤光片盘(7)上设置有3～12块不同波长的干涉滤光片，其透光波长分别是435.8nm、450nm、500nm、546.1nm、590nm、620nm、700nm，用于可见光波段的光源空间光度和色度参数角度分布特性测量。

进一步的，所述CCD相机(8)的光谱响应范围覆盖350～1100nm，其分辨率高达512×512或者1024×1024。用于把光纤束(5)传来的光信号转变为电信号，再送入电脑进行结果处理。

进一步的，所述高吸收黑色涂层(10)是由吸收系数为96％～99％的黑色消光涂料涂覆而成。

本发明提供的一种利用光纤束的材料空间反射特性测量仪，采用根据角度分布并特殊编码的光纤束作为光的传播媒介，高分辨率CCD相机进行成像，并在CCD相机前加入滤光片盘，最后通过计算机进行处理，不仅系统结构简单、成本低、测量时间短，而且具有角度分辨率高、精度高等优点。

附图说明

图1本发明提供的一种利用光纤束的材料空间反射特性测量仪的整体结构示意图。

图2本发明提供的一种利用光纤束的材料空间反射特性测量仪中光纤束编码示意图。

具体实施方式

结合附图，对本发明提供的具体实施方式作进一步详细说明。

参见附图1，本实施例中，半积分球(2)其直径尺寸为1000mm，半球面上按照每相隔5°设置一个光纤接口的原则，总共设置了1225个小圆孔；待测材料(1)通过第一圆孔(21)位于半积分球底面的中心处；外部入射光源(3)在偏离圆顶中心45°位置；陷光器(4)也位于偏离圆顶中心45°且与外部入射光源关于原点对称的地方；传光光纤束(5)内的所有光纤端口都通过熔融拉伸法处理为球面光纤微透镜形式进行耦合；传光光纤束(5)的光纤用的是弯曲性能好的塑料光纤；成像光锥(6)按照矩阵A的方式正对着CCD相机的光敏面，且用弹性光学胶胶合固定其位置；滤光片盘(7)上有7个滤光片孔，其中1个不放任何滤光片，6个放置了6块不同透过波长的干涉滤光片，其透过波长分别是435.8nm、450nm、500nm、546.1nm、590nm、620nm、700nm；CCD相机(8)的分辨率为1024×1024像素，光谱响应范围覆盖350～1100nm；高吸收黑色涂层(10)涂覆了吸收系数为98％的黑色消光涂层。

下面通过对本实施例中的具体操作原理以及步骤作进一步详细说明以支持本发明提供的一种利用光纤束的材料空间反射特性测量仪能够解决的技术问题。

本实施例中的材料空间反射特性的快速测量系统采用了白光LED光源，用于测量光度学、色度学的相关参数：

第一步：在直径为1000mm的半积分球(2)的内底平面中心设置第一圆孔(21)，第一圆孔(21)通过盖子处于打开状态，用于放置待测材料(1)。

第二步：打开第二(22)、第三圆孔(23)的盖子，通过稳压电源对外部入射光源(3)进行供电，LED光源发出的白光通过第二圆孔(22)直接照射到待测材料(1)表面，测量表面会向四周发生反射。同时为了防止直接反射光对测量结果的影响，位于对称位置的陷光器(4)会直接吸收掉材料表面的所有直接反射光。

第三步：由于半积分球(2)的内表面涂有吸收系数为98％的黑色消光涂层(10)，除了直接照射到小圆孔而进入光纤束(5)的光之外，其余所有光都会在半积分球内被吸收掉，避免其通过多次反射进入光纤影响测量结果。

第四步：光纤束(5)中的光纤经过特殊编码，根据角度分布每隔5°设置一根塑料光纤，这样就会有35×35＝1225根塑料光纤。其具体排列方式如附图2所示，编码为矩阵各个角度上的传光塑料光纤再按照矩阵A的排列方式捆绑为光纤束(5)。

第五步：从小圆孔射出的光，经过光纤微透镜耦合进入光纤束(5)中并在其中传输。光纤束(5)中每根光纤的前端进行光纤微透镜处理，即通过电弧热源使光纤前端面先熔化再自然冷却，烧制成球面形状，从而使得耦合效率提高到90％。

第六步：从光纤束(5)中传输的排列方式为A的光信号对应的进入成像光锥(6)。光锥再把光纤束(5)中有规律的光信号缩小到CCD相(8)机上光敏面能接受的尺寸并按照排列方式A完整的传递给CCD相机(8)。

第七步：经过成像光锥(6)的所有光信号都会进入CCD相机(8)，在进入CCD相机(8)前会经过一个滤光片盘(7)，该滤光片盘(7)上有435.8nm、450nm、500nm、546.1nm、590nm、620nm、700nm的6个不同透过波长的滤光片，用于材料空间光度和色度参数角分布特性的测量。要测量波长为435.8nm的光的分布函数时，需将滤光片盘(7)旋转到透过波长为435.8nm的滤光片。继续旋转滤光片盘(7)使得透过波长分别为450nm、500nm、546.1nm、590nm、620nm、700nm，这样就可以得到6个不同波长光的分布特性。把6个不同波长的光的函数分布图像整合在一个坐标轴上进行对比便可确定出色度参数的角分布特性；当滤光片盘(7)转到不放任何滤光片的位置时，所测为光强参数的角分布特性。

第八步：当所有的光经过滤光片盘(7)进入分辨率为1024×1024，光谱响应范围覆盖350～1100nm的CCD相机(8)后，接着就会在光敏面上成像，然后经过光电转换变为像元分布，最后传输给电脑。在此过程中，对于材料表面空间的反射分布与CCD采样后的像元分布建立了一个数学模型，对于材料表面空间的反射特性由建立的数学模型获得。其数学模型如下：

设材料表面空间的反射分布为A35，35(φ，θ)，φ，θ分别为极坐标下的光分布的方位角，经CCD采样后的像元分布输出R35，35(X，Y)。其中：

SP-1：分别由材料表面空间的反射分布A35，35和CCD采样后的像元分布R35，35构成函数矩阵如下：构成矩阵构成矩阵由A35，35·K＝R35，35，求得K＝R35，35·A35，35-1。其中K的形式为：

SP-2：取已知表面空间反射分布的材料100个，编号后分别让其经过系统的CCD测出其信号，根据矩阵A35，35和R35，35用线性回归方程，或偏最小二乘方法，可求出100个转换矩阵K1、K2...K100。

SP-3：求这些矩阵的平均矩阵则平均转换矩阵B就是本方法所建立的数学关系。用不同滤光片进行定标，获得不同波长下的转换矩阵B(λ)。

SP-4：建立了平均转换矩阵B(λ)以后，某个未知材料表面任意角度αi、βi的反射特性即可根据平均转换矩阵B(λ)和CCD采样后的输出分布矩阵R35，35来确定。

第九步：经过CCD相机(8)输出后，最后通过有线或者无线传输联机进入计算机(9)，在计算机里面对数据进行处理后输出结果。

Claims (6)

1.一种利用光纤束的材料空间反射特性测量仪，其特征在于，由待测材料(1)、半积分球(2)、外部入射光源(3)、陷光器(4)、传光光纤束(5)、成像光锥(6)、滤光片盘(7)、CCD相机(8)、计算机(9)、高吸收黑色涂层(10)十部分组成；

外部入射光源(3)发出的光照在待测材料(1)表面上，材料会向半积分球内各个方向发射出强度不等的光，通过半积分球球面上有规律分布的小圆孔而穿出半积分球，再依次通过传光光纤束(5)、成像光锥(6)和滤光片盘(7)后被CCD相机(8)所探测，最后这些光信号通过计算机(9)处理，从而获得材料表面的反射特性；

所述高吸收黑色涂层(10)涂覆在半积分球半球面和底面的内表面，所述高吸收黑色涂层(10)是由吸收系数为96％～99％的黑色消光涂料涂覆而成；

所述传光光纤束(5)按球面上每个有规律分布的小圆孔接一根光纤的排列方式全部设置在半积分球的外球面上；

所述滤光片盘(7)旋转到放置不同波长的滤光片位置时，得到不同波长光的分布特性以及确定出色度参数的角分布特性；所述滤光片盘(7)旋转到不放任何滤光片的位置时，所测为光强参数的角分布特性。

2.根据权利要求1所述一种利用光纤束的材料空间反射特性测量仪，其特征在于：半积分球(2)的半球面上每相隔5°便会设置一个小圆孔，一共是35×35＝1225个小圆孔。

3.根据权利要求1所述一种利用光纤束的材料空间反射特性测量仪，其特征在于：光纤束(5)中1225根光纤的端面上都做了微透镜处理，处理后的端面形状包括锥形、楔形、斜面、球面，处理后的耦合效率可以高达80％～90％。

4.根据权利要求1所述一种利用光纤束的材料空间反射特性测量仪，其特征在于：光纤束(5)中所用的光纤为弯曲性能好的塑料光纤。

5.根据权利要求1所述一种利用光纤束的材料空间反射特性测量仪，其特征在于：光纤束(5)中的光纤按照有规律的角度分布，进行了特殊的编码，编码后的形式为一个35×35的矩阵。

6.根据权利要求1所述一种利用光纤束的材料空间反射特性测量仪，其特征在于：运用了大数值孔径和高填充率的成像光锥(6)来实现光纤束(5)中的光信号到CCD相机(8)上光敏面的耦合。