CN104266968B - 高精度偏振二向反射自动测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度偏振二向反射自动测量仪，包括激光器、光纤耦合器和自动调节收发器，激光器和光纤耦合器之间放置斩波器；该自动调节收发器包括伺服电机、同轴的发射臂和接收臂，发射臂和接收臂上均安装有数字角度计，数字角度计与上位机连接；伺服电机控制接收臂在主平面的转动，光纤耦合器通过光纤与发射臂上的发射套筒连接，发射套筒中的光照射到样品台的样品上；接收臂上安装有接收套筒，该接收套筒内设有光信号采集模块，采集的光信号被输入到第一锁相放大器；信号经第一锁相放大器处理后，将处理结果输入上位机，上位机再对信号进行处理并显示处理结果。
Description
技术领域
本发明涉及定量遥感，计算机图形学领域，特别涉及能测量材料高精度偏振二向反射自动测量仪。
背景技术
双向反射分布函数(Bidirectional Reflected Distribution Function，后面简称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，其表达式为公式(1)：
其中dEi(θi,φi；λ)为光源沿着(θi,φi)入射方向辐射到物体表面的辐照度，单位为W/m2；dLr(θi,φi；θr,φr；λ)为(θr,φr)反射方向上物体表面反射的辐亮度，单位为W/(m2*sr),λ为单色光波长；fr(θi,φi；θr,φr；λ)即为BRDF，单位为sr-1。
主平面，即入射光与反射光构成的平面。
线偏振度(DOLP)，圆偏振比(μc)，线偏振比(μ//和μ⊥)定义如下：
在公式(1)-(4)中，“C”代表圆偏振光，“O”和“S”分别代表相反和相同的旋向。“P”和“S”代表与散射平面平行和垂直的电场方向。例如IPS代表散射光沿着S方向偏振，入射光沿着“P”方向偏振。
现有的BRDF测量装置一般只能测量强度信息，几乎没有涉及偏振测量，因为偏振测量包含许多复杂的设计环节。
热点效应，很多密堆积颗粒表面的BRDF表现出很强的背散射增强效应，即当相角(入射光和散射光之间的夹角)趋向于零时(即顺着入射光线方向观测)，BRDF有很大的增强，俗称“热点效应”(Hot spot或者Opposition Effect)。而伴随着背散射增强的出现，线性偏振度(DOP)往往会出现负值，即所谓的负偏振效应(Negative Polarization Effect,NPE)。对于热点效应精细结构的探测，需要很高的角分辨率，也就是需要探测器离开样品非常远，长度增加会使系统稳定性变差，需要在设计中小心考虑。本发明的设计探测距离是2000mm，目前还未发现长度与之类似的发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型偏振二向反射自动测量装置，能够自动对于主平面内反射光强度和偏振信息进行测量，并保证很高的精度。
实现本发明目的所采用的技术方案是：
提供一种高精度偏振二向反射自动测量仪，包括激光器、光纤耦合器和自动调节收发器，激光器和光纤耦合器之间放置斩波器；
该自动调节收发器包括伺服电机、同轴的发射臂和接收臂，发射臂和接收臂上均安装有数字角度计，数字角度计与上位机连接；伺服电机控制接收臂在主平面的转动，光纤耦合器通过光纤与发射臂上的发射套筒连接，发射套筒中的光照射到样品台的样品上；接收臂上安装有接收套筒，该接收套筒内设有光信号采集模块，用于采集样品反射的光信号，采集的光信号被输入到第一锁相放大器；信号经第一锁相放大器处理后，将处理结果输入上位机，上位机再对信号进行处理并显示处理结果。
本发明所述的高精度偏振二向反射自动测量仪中，样品的表面上方还设有监视器，该监视器输出的信号被输入到第二锁相放大器，信号经第二锁相放大器处理后，将处理结果输入上位机，上位机对两个锁相放大器的信号进行处理，扣除背景噪声。
本发明所述的高精度偏振二向反射自动测量仪中，所述光信号采集模块为光电二极管。
本发明所述的高精度偏振二向反射自动测量仪中，所述接收套筒内设有陷波滤波器、1/4玻片、线偏振片、透镜和光阑和光电二极管，陷波滤波器透过特定波长的激光信号，通过旋转1/4玻片和线偏振片处于不同的相对角度，来探测不同的偏振信号，光信号经过透镜聚焦，打到光电二极管上，光电二极管将光信号转换为电信号输出到第一锁相放大器。
本发明所述的高精度偏振二向反射自动测量仪中，发射套筒内设有光纤发射头、线偏振片、1/4玻片和透镜，激光通过光纤耦合器进入光纤，由光纤发射头发出，旋转线偏振片和1/4玻片处于不同的相对角度，得到实验所需的偏振光。
本发明所述的高精度偏振二向反射自动测量仪中，自动调节收发器通过底板固定在光学平台上，该自动调节收发器包括基座，基座上固定减速器和伺服电机；发射臂由发射臂夹持器固定，发射臂夹持器固定在基座前挡板上；接收臂由接收臂夹持器固定，接收臂夹持器固定在主轴上，主轴与基座前挡板由轴承固定，主轴与减速器输出轴之间通过联轴器连接。
本发明产生的有益效果是：本发明通过伺服电机控制，通过自主设计的机械传动机构，带动接受臂自动采集数据，减少了人为干预，极大提高了效率和准确度。另外，本发明通过设计一个独立的监视器，通过两个锁相放大器对噪声监控并扣除，提高了系统的性噪比。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明高精度偏振二向反射自动测量仪的结构示意图；
图2为本发明高精度偏振二向反射自动测量仪的主体结构示意图；
图3为本发明实施例接收光学套筒原理结构示意图；
图4为本发明实施例发射光学套筒原理结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中高精度偏振二向反射自动测量仪包括发射套筒1，接收套筒14，发射臂2，接收臂13，发射臂夹持器3，接收臂夹持器12，数字角度计4，光纤耦合器5，激光器6，斩波器7，样品台8，锁相放大器11等部件。
激光器6产生激光光源，并可通过更换不同的激光器来选择不同波长的激光光源，如可选633nm,532nm,473nm三种波长激光光源,激光由激光器发射。激光通过斩波器7调制，由光纤耦合器5将激光导入光纤中，光纤一端被固定在发射臂2的发射套筒1上，发射套筒1由支杆15支撑。待测样品放于样品台8上。光纤发射端距离样品台8约2000mm远。
发射臂2由发射臂夹持器3固定，发射臂夹持器3固定在基座前挡板17上，并且可以通过旋松螺丝10调节发射臂夹持器3转动到一定角度并固定。发射臂可通过手动调节，在主平面0～180°(主平面为入射光与反射光构成的平面)范围内固定。接收臂13由伺服电机22控制，可以精确在主平面内转动，最小分辨角0.1°。
同样，接收臂13由接收臂夹持器12固定，接收臂13上安放有接收套筒14。发射臂2与接收臂13同轴，接收臂13通过一根主轴19和联轴器20与减速器21相连，减速器21的动力由伺服电机22提供。主轴19与基座前挡板17由轴承18固定。在伺服电机22的控制下，接收臂13能够在主平面内转动到特定角度并固定。基座23用于固定减速器21和伺服电机22。整套装置固定在底板24上，底板24可通过螺丝固定在光学平台上。
为保证接收臂13在转动过程中的稳定，设计接收臂压板16将接收臂压紧在接收臂夹持器12上。接收套筒14的输出信号被输入锁相放大器11中处理，最后，将锁相放大器11的处理结果和数字角度计4的角度信息共同输入到上位机中，可通过软件处理后，显示出来。
本发明的一个较佳实施例中，样品的表面上方还设有监视器9，该监视器9输出的信号被输入到另一锁相放大器，信号经该锁相放大器处理后，将处理结果输入上位机，上位机对两个锁相放大器的信号进行处理可扣除背景噪声。
具体实施方式二：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同点在于测量偏振信息，其他可参考实施方式一。接收套筒14主要包括接收套筒筒体，陷波滤波器26，1/4玻片27，线偏振片28，透镜29，光阑30，光电二极管31。接收套筒14中的陷波滤波器26只能透过特定波长的激光信号，提高了系统的信噪比。通过旋转1/4玻片27和线偏振片28，使其处于不同的相对角度，来检测特定偏振方向光，然后，光信号经过透镜29聚焦，打到光电二极管31上，光电二极管31将光信号转换为电信号输出。光阑30有助于消除杂散光。整套光学元件都固定在接收套筒14内部。
发射套筒1包括发射套筒筒体、光纤发射头35、线偏振片34、1/4玻片33和透镜32。首先，激光通过光纤耦合器进入光纤，由发射套筒1中的光纤发射头35发出，通过旋转线偏振片34，1/4玻片33处于不同的相对角度，得到实验所需的偏振光。
理论上BRDF的测量只需通过固定入射光，并把探测器置于不同角度，检测不同几何条件下的反射光强度即可。但由于需要一系列的BRDF数据，并且需要记录下来，人工操作非常繁琐，且容易出错。本发明通过伺服电机控制，通过自主设计的机械传动机构，带动接受转臂自动采集数据，并由自主开发的软件自动采集，处理，记录数据，减少了人为干预，极大提高了效率和准确度。
对于BRDF测量，角分辨率也是一个评价仪器的重要指标。角分辨率指的是探测器能够探测到的最小角度下的反射光强。其与探测器离开样品表面的距离呈正比。但臂长过长则会大大提高设计难度，影响仪器稳定性。本发明通过自主设计的机械结构，改良伺服电机的控制算法，使在测量数据稳定的前提下，设计臂长2000mm,角分辨率0.1°，实现了高精度测量。另外，由于激光器散粒噪声的存在以及光纤耦合过程中噪声的引入，光源的不稳定是影响该类仪器精度的一大因素。本发明通过设计一个独立的监视器，通过两个锁相放大器对噪声监控并扣除，提高了系统的性噪比。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种高精度偏振二向反射自动测量仪，其特征在于，包括激光器、光纤耦合器和自动调节收发器，激光器和光纤耦合器之间放置斩波器；
该自动调节收发器包括伺服电机、同轴的发射臂和接收臂，发射臂和接收臂上均安装有数字角度计，数字角度计与上位机连接；伺服电机控制接收臂在主平面的转动，光纤耦合器通过光纤与发射臂上的发射套筒连接，发射套筒中的光照射到样品台的样品上；接收臂上安装有接收套筒，该接收套筒内设有光信号采集模块，用于采集样品反射的偏振光信号，采集的偏振光信号被输入到第一锁相放大器；信号经第一锁相放大器处理后，将处理结果输入上位机，上位机再对信号进行处理并显示处理结果；
自动调节收发器通过底板固定在光学平台上，该自动调节收发器包括基座，基座上固定减速器和伺服电机；发射臂由发射臂夹持器固定，发射臂夹持器固定在基座前挡板上；并且通过旋松螺丝调节发射臂夹持器转动到一定角度并固定；接收臂通过接收臂夹持器固定，接收臂夹持器固定在主轴上，主轴与基座前挡板由轴承固定，主轴与减速器输出轴之间通过联轴器连接。
2.根据权利要求1所述的高精度偏振二向反射自动测量仪，其特征在于，样品的表面上方还设有监视器，该监视器输出的信号被输入到第二锁相放大器，信号经第二锁相放大器处理后，将处理结果输入上位机，上位机对两个锁相放大器的信号进行处理，扣除背景噪声。
3.根据权利要求2所述的高精度偏振二向反射自动测量仪，其特征在于，所述光信号采集模块为光电二极管。
4.根据权利要求3所述的高精度偏振二向反射自动测量仪，其特征在于，所述接收套筒内设有陷波滤波器、1/4玻片、线偏振片、透镜和光阑和光电二极管，陷波滤波器透过特定波长的激光信号，通过旋转1/4玻片和线偏振片处于不同的相对角度，来探测不同的偏振信号，光信号经过透镜聚焦，打到光电二极管上，光电二极管将光信号转换为电信号输出到第一锁相放大器。
5.根据权利要求3所述的高精度偏振二向反射自动测量仪，其特征在于，发射套筒内设有光纤发射头、线偏振片、1/4玻片和透镜，激光通过光纤耦合器进入光纤，由光纤发射头发出，旋转线偏振片和1/4玻片处于不同的相对角度，得到实验所需的偏振光。
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