CN104296873A - 一种光谱二向性测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学领域，具体涉及一种光谱二向性测量系统。该系统包括稳压电源、平行光源、移动平台、旋转龙骨、链接件、探头标尺和样品旋转夹持框。该系统能精确测量岩石反射光谱各向异性，配合地面光谱可以在暗室中使用；除能够测量样品反射光谱外，还可测量在不同方向光线照射下，样品在任意方向的反射光谱。系统构思巧妙，结构简单；该系统不仅能测量截面直径小于12cm物体的反射率，而且可以测量任意入射-反射方向条件下物体的反射光谱。

Description

一种光谱二向性测量系统

技术领域

本发明属于光谱测量技术领域，具体涉及一种能够测量岩石等材料的光谱各向异性的光谱二向性测量系统。

背景技术

目前，遥感技术领域的光谱测量普遍利用光谱仪在自然光或人工散射光源的条件下测量物体的反射光谱。由于无法控制光源照射的角度和周围物体邻近效应的影响，而不能准确地测量物体在不同角度入射光照射下各个方向的反射特性。由于很多材料的反射特性具有各向异性，即二向性，利用太阳光或室内光源、手动操作光谱仪是无法准确测量材料的这种反射特性，从而影响光谱测量结果的精度和应用效果。

发明内容

本发明需要解决的技术问题为：现有光谱测量装置无法准确测量物体在不同角度入射光照射下各个方向的反射特性，影响光谱测量结果的精度和应用效果。

本发明的技术方案如下所述：该装置包括稳压电源和平行光源，稳压电源为平行光源供电，平行光源出射光照射待测样品；还包括可移动平台、旋转龙骨、探头标尺和样品旋转夹持框；其中，稳压电源为平行光源提供强度可调的电流；旋转龙骨包括水平设置在可移动平台上方、能够进行水平旋转的圆盘，和垂直于可移动平台的半圆；用于固定光谱仪光纤探头的探头标尺能够沿旋转龙骨的半圆移动，并通过调整探头标尺的位置调整光谱仪光纤探头与样品旋转夹持框之间的距离；样品旋转夹持框夹持待测样品，其位于平行光源发射的光线与探头标尺所固定的光谱仪光纤探头延长线交点所在平面内，且在水平旋转电机和垂直旋转电机的控制下进行俯仰方向、水平方向的旋转。旋转龙骨的水平旋转，实现了光谱仪探头方位角的变化，探头标尺沿龙骨半圆的移动实现了光谱仪探头高度角的变化。

所述平行光源包括光源和准直系统，准直系统通过放置在光源和样品旋转夹持框之间的平凸透镜和光阑实现：光源位于平凸透镜焦点处，使光源发出的光经平凸透镜后成为一束平行光；所述光阑设置于凸透镜相对于光源另一侧，通过光阑遮挡实现光斑大小调节。

所述可移动平台为一个平台，其平台上部标刻有0-360°角度值的刻度圆；

所述旋转龙骨包括平行于可移动平台的圆盘和与圆盘垂直相交于直径的半圆：圆盘能够在可移动平台上方水平旋转，可移动平台上的刻度圆围绕圆盘标刻，圆盘上的指针指示旋转龙骨所处的可移动平台刻度圆方位角；半圆上标刻角度刻度。

所述样品旋转夹持框，位于旋转龙骨圆盘圆心处，其包括水平旋转电机、俯仰旋转电机和夹持框：固定有待测样品的夹持框安装在俯仰旋转电机上，实现待测样品的俯仰旋转；俯仰旋转电机和夹持框整体安装在水平旋转电机上，实现待测样品的水平旋转。

所述探头标尺指向样品旋转夹持框的一端通过探头固定装置固定光谱仪光纤探头；所述探头固定装置具有外小内大的阶梯状圆孔，靠内部的大孔直径大于光谱仪光纤探头直径，靠外部的小孔直径小于光谱仪光纤探头直径。

所述光谱二向性测量系统还包括连接件：连接探头标尺的连接件套装在旋转龙骨的半圆上，带动探头标尺沿旋转龙骨的半圆移动，且探头标尺能通过连接件实现与样品旋转夹持框之间的距离调整。

所述平行光源还包括散热系统，所述散热系统包括散热片和风扇：散热片加装在光源周围，使光源向外散发；风扇将散热片散发出的热量排出。

本发明的有益技术效果在于：

(1)本发明的一种光谱二向性测量系统，是一种能够精确测量岩石反射光谱各向异性的室内光学测量系统，可以配合地面光谱在暗室中使用。该测量系统通过测量相同入射-接收条件下待测样品反射亮度和白板反射亮度，得到待测样品在不同波段的反射率，即样品的光谱；通过调节不同的入射和接收角度组合，获得待测样品在任意方向入射光照射下，在不同方向的反射光谱。

(2)本发明的一种光谱二向性测量系统，平行光源通过准直系统实现均匀出射光，通过稳压电源和散热系统保持光源温度稳定性。

(3)本发明的一种光谱二向性测量系统，样品旋转夹持框采用电机控制模块，实现高精度入射条件控制控制。

(4)本发明的一种二向性测量系统，平行光源固定不动，利用样品夹持旋转框改变待测样的方位和俯仰角度实现光线入射条件变化，利用旋转龙骨方位变化、沿龙骨半圆滑动的光源仪探头标高度角变化和探头标尺半径方向伸缩实现接受方位角、高度角和接受距离的变化。

附图说明

图1为本发明的一种光谱二向性测量结构示意图；

图中：1-稳压电源，2-平行光源，3-移动平台，4-旋转龙骨，5-连接件，6-探头标尺，7-样品旋转夹持框。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的光谱二向性测量系统进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，本实施例的一种光谱二向性测量系统，包括稳压电源1、平行光源2、可移动平台3、旋转龙骨4、连接件5、探头标尺6和样品旋转夹持框7。其中，稳压电源1为平行光源2提供强度可调的电流；旋转龙骨4包括水平设置在可移动平台3上方、垂直于可移动平台3的半圆和平行移动平台圆盘，二者为一个整体一起绕圆心水平旋转；连接件5将安装在旋转龙骨4上，使光谱仪光纤探头的探头标尺6能够沿的半圆移动，通过调整探头标尺6的位置调整光谱仪光纤探头与样品旋转夹持框7之间的距离；样品旋转夹持框7夹持待测样品，其固定于移动平台上，位于平行光源2发射的光线与探头标尺6所固定的光谱仪光纤探头延长线交点所在平面内，且能够进行俯仰方向、水平方向的旋转。

所述稳压电源1为平行光源2提供强度可调的电流，使平行光源2的强度可调。稳压电源1具有在输入过压、欠压，输出过压、过流、短路，整机过热实现自动保护功能。

所述平行光源2包括光源和准直系统。本实施例中，所述光源采用钨丝灯实现；钨丝灯位于平凸透镜焦点处，使钨丝灯发出的光经平凸透镜后成为一束平行光，达到模拟自然光的目的；所述光阑设置于凸透镜相对于钨丝灯另一侧，通过光阑遮挡实现光斑大小调节，光斑形状和大小以待测样品表面形状和大小决定。本实施例中，所述钨丝灯光谱范围满为0.4～2.5μm，照射光斑直径大于10cm；所述平凸透镜直径为100mm、曲率为129.24mm、焦距为250mm。

所述可移动平台3包括一个平台，平台上部标刻有0-360°角度值的刻度圆，刻度圆180°方向为平行光源2出射方向；平台下部设有带有卡锁的脚轮，移动可移动平台3时解锁脚轮，固定可移动平台3时锁定脚轮，以保证平行光源2出射的平行光准确照射在待测样品上。

所述旋转龙骨4包括平行于可移动平台3的圆盘和垂直于可移动平台3的半圆：所述圆盘通过轴承与可移动平台3固定，能够在可移动平台3上方水平旋转，所述可移动平台3上的刻度圆即围绕圆盘标刻，圆盘上的指针指示旋转龙骨4所处的可移动平台3刻度圆方位角，圆盘中心有孔，样品旋转夹持框7通过该孔固定于可移动平台3上；半圆从中点向两端点分别标刻0°～90°刻度，标刻精度为1°，估算精度为0.1°。

所述探头标尺6指向样品旋转夹持框7的一端固定光谱仪光纤探头，长度可以为110cm。本实施例中，探头标尺6通过探头固定装置固定光谱仪光纤探头。所述探头固定装置为一个外小内大阶梯状圆孔的圆柱体，靠内部的大孔直径略大于光谱仪光纤探头直径，靠外部的小孔直径略小于光谱仪光纤探头直径，这种设计既能防止光谱仪光纤探头过分前移又可保证光线进入。本实施例中，大孔直径为6mm，用于放置直径5mm的光谱仪光纤探头，小孔直径为3mm。

所述样品旋转夹持框7位于螺丝固定于可移动平台上，位于旋转龙骨4圆盘圆心处，样品旋转夹持框7中心轴线与旋转龙骨4圆盘圆心轴线重合，样品旋转夹持框7包括水平旋转电机、俯仰旋转电机和夹持框：固定有待测样品的夹持框安装在俯仰旋转电机上，实现待测样品的俯仰旋转；俯仰旋转电机和夹持框整体安装在水平旋转电机上，实现待测样品的水平旋转。为了固定岩石样本，夹持机构外框上装有旋转螺丝，手动调节可以卡紧或空开样品。

本实施例的一种光谱二向性测量系统的工作过程如下所述：将待测样品加工成厚2cm、长宽小于10cm×10cm的方块；将光谱二向性测量系统整体置于暗室内；连接稳压电源1与平行光源2，打开平行光源进行预热；将方块状待测样品固定在样品旋转夹持框7内；调整可移动平台3，使平行光源光斑中心与样品旋转夹持框7中心重合；连接地面光谱仪与控制计算机，将光谱仪光纤探头固定在探头标尺6上；通过电动调节样品旋转夹持框7的水平和俯仰角度实现入射光的任意角度入射；通过调节旋转龙骨4圆盘的方位角和探头标尺6所处半圆的高度角实现光谱仪光纤探头任意角度的接收；通过调节探头标尺6的前后距离，实现光谱仪光纤探头测量距离的变化。测量时，关闭室内光源，通过测量相同入射-接收条件下待测样品反射亮度和白板反射亮度，得到待测样品在不同波段的反射率，即样品的光谱；通过调节不同的入射和接收角度组合，获得待测样品在任意方向入射光照射下，在不同方向的反射光谱。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：

本实施例中的光谱二向性测量系统还包括连接件5。连接探头标尺6的连接件5套装在旋转龙骨4的半圆上，带动探头标尺6沿旋转龙骨4的半圆移动，且探头标尺6能通过连接件5的固定实现与样品旋转夹持框7之间的距离调整。

本实施例中的连接件5采用扁形四方筒，其壁装有螺丝，通过手动松紧螺丝使连接件5在旋转龙骨4半圆上移动和固定。

实施例3

本实施例与实施例1、2的区别在于：

所述平行光源2还包括散热系统，所述散热系统包括散热片和风扇：散热片加装在钨丝灯周围，使钨丝灯热量向外散发；风扇将散热片散发出的热量排出，从而保持光源的温度稳定。

实施例4

本实施例与实施例1、2、3的区别在于：

采用电机控制模块实现样品旋转夹持框7的高精度旋转控制。

所述电机控制模块包括电机控制电路、通讯电路、主控电路和电源电路。电机控制电路实现对水平旋转电机、俯仰旋转电机的驱动，得到空间二维度旋转，对外接口为电机线输出，光电开关电源线以及光电开关信号线输入；通讯电路通过USB口实现计算机与仪器对话；主控电路采用板上供电，完成光电开关、USB输入信号指令的处理，并输出相应控制响应信号；电源电路分为电机控制电源和光源电源两部分，实现各部分的电源供给。

Claims (7)

1.一种光谱二向性测量系统，包括稳压电源(1)和平行光源(2)，稳压电源(1)为平行光源(2)供电，平行光源(2)出射光照射待测样品，其特征在于：

还包括可移动平台(3)、旋转龙骨(4)、探头标尺(6)和样品旋转夹持框(7)；其中，稳压电源(1)为平行光源(2)提供强度可调的电流；旋转龙骨(4)包括水平设置在可移动平台(3)上方、能够进行水平旋转的圆盘，和垂直于可移动平台(3)的半圆；用于固定光谱仪光纤探头的探头标尺(6)能够沿旋转龙骨(4)的半圆移动，并通过调整探头标尺(6)的位置调整光谱仪光纤探头与样品旋转夹持框(7)之间的距离；样品旋转夹持框(7)夹持待测样品，其位于平行光源(2)发射的光线与探头标尺(6)所固定的光谱仪光纤探头延长线交点所在平面内，且旋转夹持框(7)固定在可移动平台(3)上，旋转夹持框(7)能够进行俯仰方向、水平方向的旋转。

2.根据权利要求1所述的一种光谱二向性测量系统，其特征在于：

所述平行光源(2)包括光源和准直系统，准直系统通过放置在光源和样品旋转夹持框(7)之间的平凸透镜和光阑实现：光源位于平凸透镜焦点处，使光源发出的光经平凸透镜后成为一束平行光；所述光阑设置于凸透镜相对于光源另一侧，通过光阑遮挡实现光斑大小调节。

3.根据权利要求1或2所述的一种光谱二向性测量系统，其特征在于：

所述可移动平台为一个平台，其平台上部标刻有0-360°角度值的刻度圆；

所述旋转龙骨(4)包括平行于可移动平台(3)的圆盘和垂直于可移动平台(3)的半圆：圆盘能够在可移动平台(3)上方水平旋转，可移动平台(3)上的刻度圆围绕圆盘标刻，圆盘上的指针指示旋转龙骨(4)所处的可移动平台(3)刻度圆方位角；圆弧上标刻角度刻度。

4.根据权利要求1或2所述的一种光谱二向性测量系统，其特征在于：

所述样品旋转夹持框(7)固定在可移动平台(3)上，位于旋转龙骨(4)圆盘圆心处，其包括水平旋转电机、俯仰旋转电机和夹持框：固定有待测样品的夹持框安装在俯仰旋转电机上，实现待测样品的俯仰旋转；俯仰旋转电机和夹持框整体安装在水平旋转电机上，实现待测样品的水平旋转。

5.根据权利要求1或2所述的一种光谱二向性测量系统，其特征在于：

所述探头标尺(6)指向样品旋转夹持框(7)的一端通过探头固定装置固定光谱仪光纤探头；所述探头固定装置具有外小内大的阶梯状圆孔，靠内部的大孔直径大于光谱仪光纤探头直径，靠外部的小孔直径小于光谱仪光纤探头直径。

6.根据权利要求1或2所述的一种光谱二向性测量系统，其特征在于：

所述光谱二向性测量系统还包括连接件(5)：连接探头标尺(6)的连接件(5)套装在旋转龙骨(4)的圆弧上，带动探头标尺(6)沿旋转龙骨(4)的圆弧移动，且探头标尺(6)能通过连接件(5)实现与样品旋转夹持框(7)之间的距离调整。

7.根据权利要求2所述的一种光谱二向性测量系统，其特征在于：

所述平行光源(2)还包括散热系统，所述散热系统包括散热片和风扇：散热片加装在光源周围，使光源向外散发；风扇将散热片散发出的热量排出。