CN104677859A - 一种消除环境光干扰的bsdf测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种消除环境光干扰的BSDF测量系统及测量方法，包括机架平台、测量平台、摇臂探头机构、控制模块、数据采集模块和PC机；测量平台包括旋转底座、设置在旋转底座上的支撑架、承重台、环形样品台、激光器等；测量时激光照射被测样品表面，经反射或透射后，通过摇臂的旋转以及样品台的自转，对半球面内各测量点的光线散射情况进行测量；测量时由电动快门对激光光路进行通断控制，每个测量点都分别测量有激光照射和无激光照射(即只有环境光)时的数据，把两种数据相减，便可去除环境光的成分，得到准确的BSDF测量数据。本系统可自动消除环境光的干扰，测量无需在暗环境中进行；广泛适用于各种材料属性的被测样品。
Description
技术领域
本发明涉及材料光学散射特性测量，尤其涉及一种消除环境光干扰的BSDF测量系统及测量方法。
背景技术
双向散射分布函数(Bidirectional Scattering Distribution Function，即BSDF)是光从一个表面上的不同方向散射的强度度量。BSDF是一个既包括入射方向又包括散射方向的函数，因此称为“双向”的。其定义为某一出射方向上的出射辐亮度与入射到材料表面的入射辐照度的比值，其数学表达式为：
式中，θi为入射天顶角；为入射方位角；θs为出射天顶角；为出射方位角。为出射方向的辐射亮度；为入射方向的辐射照度。
双向散射分布函数(BSDF)可分为双向反射分布函数(BRDF)和双向透射分布函数(BTDF)。反射时即为反射方向的辐射亮度，透射时即为透射方向的辐射亮度。
辐射亮度L的定义为沿辐射方向单位面积dA、单位立体角dΩ的辐射通量P(W/(m2·sr))：
辐射照度E的定义为单位面积dA的辐射通量P(W/m2)：
因此BSDF公式可以写为：
式中，为出射方向的辐射强度，光线为可见光时即为光照强度。因此，只要入射光的功率Pi已知，再测得处出射光的光强即可算得
BSDF可广泛应用于计算机3D绘图、光学模拟仿真等领域，可用于3D渲染、纺织、化妆品、涂料、照明以及显示器等与光学散射相关的行业中。
目前现有BSDF测量装置或专利的测量过程中均需要在暗环境中进行，存在环境光干扰时测量结果的准确性会受到影响，因此对测量条件的要求较为苛刻。
发明内容
为了提高双向反射分布函数测量的准确性，自动消除环境光的干扰，使测量不需在暗环境中进行，降低测量条件的要求，本发明提供一种消除环境光干扰的BSDF测量系统及测量方法。本测量系统及测量方法适应不同材料属性的被测样品，使测量结果能直接导入到各光学模拟软件中。
本发明通过下述技术方案实现：
一种消除环境光干扰的BSDF测量系统，包括机架平台、测量平台2、摇臂探头机构、控制模块6、数据采集模块7和PC机8；所述机架平台分为低平台11和高平台12；
所述测量平台2置于低平台11上，所述测量平台2包括旋转底座21、设置在旋转底座21上的支撑架22，支撑架22上部具有一承重台，承重台上设置有环形样品台23，环形样品台23的上设置有一带电动快门4的激光器3，所述激光器3通过旋转杆33与设置在承重台上的刻度盘机构34连接，激光器3通过旋转杆33能360°旋转；通过刻度盘机构34调节激光器3激光的入射天顶角；
所述环形样品台23包括外盖环板232和置于其内的内底环板231，所述外盖环板232、内底环板231、旋转底座21的轴心重合；
所述摇臂探头机构包括摇臂5、设置在摇臂5上的光强测量探头51、驱动摇臂5运动的驱动单元52，驱动单元52设置在高平台12上；
所述PC机8分别连接控制模块6和数据采集模块7，所述控制模块6连接光强测量探头51，所述控制模块6分别连接驱动单元52、电动快门4和旋转底座21的驱动机构。
所述驱动单元52带动摇臂5转动，使光强测量探头5绕γ轴在﹣90°～90°范围内旋转。
所述内底环板231上表面外缘有45°外倒角，外倒角的尺寸与内底环板231厚度相等；所述外盖环板232下表面内缘有45°内倒角，内倒角的尺寸与外盖环板232的厚度相等；所述外盖环板232与内底环板231的厚度相等。
所述激光器3的光轴和光强测量探头(51)正对环形样品台(23)的圆心。
所述控制模块分别控制摇臂5(即天顶角θ)、旋转底座21(即方位角φ)的旋转以及电动快门4的开合。
所述PC机给所述控制模块输入所需的控制参数；数据采集模块将采集到的数据输入PC机的中进行数据处理并输出保存。
一种消除环境光干扰的BSDF测量方法如下：
(1)将待测样品置于环形样品台23上；
当被测样品为硬质时直接放置在外盖环板232的上面；当被测样品为软质时则先取出外盖环板232，将被测样品放置在内底环板231表面，然后再套合上外盖环板232，通过外盖环板232和内底环板231的压合来张紧、拉平被测样品；
(2)转动旋转杆33使激光器3的激光旋转到所需的入射角；
当测量双向反射分布函数(BRDF)时激光器3旋转到被测样品的上方；当测量双向透射分布函数(BTDF)时激光器3旋转到被测样品的下方；
(3)开始进行测量；
单独测量双向反射分布函数(BRDF)和双向透射分布函数(BTDF)或者将两者合并得到双向散射分布函数(BSDF)；测量时，通过PC机控制电动快门4对激光器3的激光光路进行通断控制；激光器3每旋转到一个测量点时，电动快门4先打开，测量有激光照射(此时测量光线包含散射激光和环境光)时的数据；然后控制电动快门41闭合，测量无激光照射(即测量光线只有环境光)时的数据；
(4)数据采集模块7将光强测量探头51测量到的步骤(2)中有激光照射和无激光照射的两种数据采集后，输送至PC机8中，把有激光照射时的数据减去无激光照射时的数据，即可去除环境光的成分，得到只包含激光散射的测量数据，从而得到准确的BSDF测量结果；
(5)PC机8的对测量结果进一步处理，并输出所需的数据格式。
本发明测量系统及方法，测量时激光照射被测样品表面，经反射或透射后，通过摇臂的旋转以及环形样品台的自转，对半球面内各测量点的光线散射情况进行测量；测量时由电动快门对激光光路进行通断控制，每个测量点都分别测量有激光照射(测量光线包含散射激光和环境光)和无激光照射(即只有环境光)时的数据，把两种数据相减，便可去除环境光的成分，得到准确的BSDF测量数据。可自动消除环境光的干扰，测量无需在暗环境中进行；本系统广泛适用于各种材料属性的被测样品；测量数据可保存为TracePro等光学软件的格式，方便进行光学模拟仿真。
附图说明
图1为BSDF说明示意图
图2为系统测量角度示意图
图3为测量系统的整体结构示意图
图4为测量平台结构放大示意图
图5为环形样品台的底环板和盖环板装配示意图
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图所示。本发明一种消除环境光干扰的BSDF测量系统，包括机架平台、测量平台2、摇臂探头机构、控制模块6、数据采集模块7和PC机8；所述机架平台分为低平台11和高平台12；
所述测量平台2置于低平台11上，所述测量平台2包括旋转底座21、设置在旋转底座21上的支撑架22，支撑架22上部具有一承重台，承重台上设置有环形样品台23，环形样品台23的上设置有一带电动快门4的激光器3，所述激光器3通过旋转杆33与设置在承重台上的刻度盘机构34连接，激光器3通过旋转杆33能绕C轴360°旋转；通过刻度盘机构34调节激光器3激光的入射天顶角；
所述环形样品台23包括外盖环板232和置于其内的内底环板231，所述外盖环板232、内底环板231、旋转底座21的轴心重合；
所述摇臂探头机构包括摇臂5、设置在摇臂5上的光强测量探头51、驱动摇臂5运动的驱动单元52，驱动单元52设置在高平台12上；
所述PC机8分别连接控制模块6和数据采集模块7，所述控制模块6连接光强测量探头51，所述控制模块6分别连接驱动单元52、电动快门4和旋转底座21的驱动机构。
所述驱动单元52带动摇臂5转动，使光强测量探头5绕γ轴在﹣90°～90°范围内旋转，以实现测量天顶角任意可调；该光强测量探头51已进行定标，能准确测出绝对光强值。
所述内底环板231上表面外缘有45°外倒角，外倒角的尺寸与内底环板231厚度相等；所述外盖环板232下表面内缘有45°内倒角，内倒角的尺寸与外盖环板232的厚度相等；所述外盖环板232与内底环板231的厚度相等。
所述激光器3的光轴和光强测量探头51正对着环形样品台23的圆心。
所述控制模块分别控制摇臂5(即天顶角θ)、旋转底座21(即方位角φ)的旋转以及电动快门4的开合。
所述PC机给所述控制模块输入所需的控制参数；数据采集模块将采集到的数据输入PC机的中进行数据处理并输出保存。
所述PC机8除了能输出原始BSDF测量数据外，还可保存为能够直接导入TracePro等光学软件的格式，方便进行光学模拟仿真。
一种消除环境光干扰的BSDF测量方法如下：
(1)将待测样品置于环形样品台23上；
当被测样品为硬质时直接放置在外盖环板232的上面；当被测样品为软质时则先取出外盖环板232，将被测样品放置在内底环板231表面，然后再套合上外盖环板232，通过外盖环板232和内底环板231的压合来张紧、拉平被测样品；
(2)转动旋转杆33使激光器3的激光旋转到所需的入射角；
当测量双向反射分布函数(BRDF)时激光器3旋转到被测样品的上方；当测量双向透射分布函数(BTDF)时激光器3旋转到被测样品的下方；
(3)开始进行测量；
单独测量双向反射分布函数(BRDF)和双向透射分布函数(BTDF)或者将两者合并得到双向散射分布函数(BSDF)；测量时，通过PC机控制电动快门4对激光器3的激光光路进行通断控制；激光器3每旋转到一个测量点时，电动快门4先打开，测量有激光照射(此时测量光线包含散射激光和环境光)时的数据；然后控制电动快门4闭合，测量无激光照射(即测量光线只有环境光)时的数据；所述激光器3功率稳定且功率精确已知。
(4)数据采集模块7将光强测量探头51测量到的步骤(2)中有激光照射和无激光照射的两种数据采集后，输送至PC机8中，把有激光照射时的数据减去无激光照射时的数据，即可去除环境光的成分，得到只包含激光散射的测量数据，从而得到准确的BSDF测量结果；
(5)PC机8的对测量结果进一步处理，并输出所需的数据格式。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种消除环境光干扰的BSDF测量系统，其特征在于：包括机架平台、测量平台(2)、摇臂探头机构、控制模块(6)、数据采集模块(7)和PC机(8)；所述机架平台分为低平台(11)和高平台(12)；
所述测量平台(2)置于低平台(11)上，所述测量平台(2)包括旋转底座(21)、设置在旋转底座(21)上的旋支撑架(22)，旋支撑架(22)上部具有一承重台，承重台上设置有环形样品台(23)，环形样品台(23)的上设置有一带电动快门(4)的激光器(3)，所述激光器(3)通过旋转杆(33)与设置在承重台上的刻度盘机构(34)连接，激光器(3)通过旋转杆(33)能360°旋转；通过刻度盘机构(34)调节激光器(3)激光的入射天顶角；
所述环形样品台(23)包括外盖环板(232)和置于其内的内底环板(231)，所述外盖环板(232)、内底环板(231)、旋转底座(21)的轴心重合；
所述摇臂探头机构包括摇臂(5)、设置在摇臂(5)上的光强测量探头(51)、驱动摇臂(5)运动的驱动单元(52)，驱动单元(52)设置在高平台(12)上；
所述PC机(8)分别连接控制模块(6)和数据采集模块(7)，所述控制模块(6)连接光强测量探头(51)，所述控制模块(6)分别连接驱动单元(52)、电动快门(4)和旋转底座(21)的驱动机构。
2.根据权利要求1所述的消除环境光干扰的BSDF测量系统，其特征在于：所述驱动单元(52)带动摇臂(5)转动，使光强测量探头(51)绕γ轴在﹣90°～90°范围内旋转。
3.根据权利要求1所述的消除环境光干扰的BSDF测量系统，其特征在于：所述内底环板(231)上表面外缘有45°外倒角，外倒角的尺寸与内底环板(231)厚度相等；所述外盖环板(232)下表面内缘有45°内倒角，内倒角的尺寸与外盖环板(232)的厚度相等；所述外盖环板(232)与内底环板(231)的厚度相等。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的消除环境光干扰的BSDF测量系统，其特征在于：所述激光器(3)的光轴和光强测量探头(51)正对环形样品台(23)的圆心。
5.根据权利要求4所述的消除环境光干扰的BSDF测量系统，其特征在于：所述控制模块分别控制摇臂(5)、旋转底座(21)的旋转以及电动快门(4)的开合。
6.根据权利要求4所述的消除环境光干扰的BSDF测量系统，其特征在于：所述PC机(8)给所述控制模块输入所需的控制参数；数据采集模块将采集到的数据输入PC机(8)的中进行数据处理并输出保存。
7.一种消除环境光干扰的BSDF测量方法，其特征在于采用权利要求1至6中任一项所述消除环境光干扰的BSDF测量系统进行测量，测量步骤如下：
(1)将待测样品置于环形样品台(23)上；
当被测样品为硬质时直接放置在外盖环板(232)的上面；当被测样品为软质时则先取出外盖环板(232)，将被测样品放置在内底环板(231)表面，然后再套合上外盖环板(232)，通过外盖环板(232)和内底环板(231)的压合来张紧、拉平被测样品；
(2)转动旋转杆(33)使激光器(3)的激光旋转到所需的入射角；
当测量双向反射分布函数时激光器(3)旋转到被测样品的上方；当测量双向透射分布函数时激光器(3)旋转到被测样品的下方；
(3)开始进行测量；
单独测量双向反射分布函数和双向透射分布函数或者将两者合并得到双向散射分布函数；测量时，通过PC机(8)控制电动快门(4)对激光器(3)的激光光路进行通断控制；激光器(3)每旋转到一个测量点时，电动快门(4)先打开，测量有激光照射时的数据；然后控制电动快门(4)闭合，测量无激光照射时的数据；
(4)数据采集模块(7)将光强测量探头(51)测量到的步骤(2)中有激光照射和无激光照射的两种数据采集后，输送至PC机(8)中，把有激光照射时的数据减去无激光照射时的数据，即可去除环境光的成分，得到只包含激光散射的测量数据，从而得到准确的BSDF测量结果；
(5)PC机(8)的对测量结果进一步处理，并输出所需的数据格式。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |