CN105259144A - 一种大动态范围全方位样品brdf测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大动态范围全方位样品BRDF测量装置。其两半圆弧轨道同轴对称安装，样品置于半圆弧轨道中心，半圆弧的两端转动轴在同一连线上，此连线位于样品平面内，穿过样品中心，半圆弧的中心转到连接有一直线拉杆，另一端与滑块连接，滑块置于直线导轨上，此滑块可以沿直线导轨运动从而带动半圆弧轨道旋转，两直线导轨对称安装在样品平面内，其中心线垂直于半圆弧的转动轴，探测器模块含光电二极管和光电倍增管双探测器，其光敏面连线与半圆弧转轴垂直，系统使用半导体激光器，圆弧轨道和直线导轨都带有刻度，样品置于三维运动平台上可实现二维平移和360度旋转，可进行光源和探测器全空间角度的准确计量扫描，实现样品BRDF的高可靠全自动化测量。

Description

一种大动态范围全方位样品BRDF测量装置

技术领域

本发明涉及样品激光散射特性技术领域，涉及一种大动态范围全方位样品BRDF测量装置。

背景技术

光是一种电磁波，光散射现象是由于入射电磁波与介质中的粒子相互作用的结果。散射场反映着物质的属性、几何形状、表面及内部缺陷的位置、大小、形状等特征，光散射测量可以获取样品空间光散射的直接数据，通过对测量数据的分析反演，还可以了解物质的本质属性。同时激光散射测量具有适应性广、测量范围宽、测量准确迅速、重复性好、能实现非接触测量等优点，其应用已经在半导体工业、生物医学、航空航天、天文探测、大气环境、军事侦察、地质地理等领域有了长足的发展。

目前空间散射测量装置主要分为积分散射装置和角分辨散射(也称为双向反射分布函数BRDF)测量装置。BRDF的定义是由Nicodemus在1970年正式提出的。它是光辐射的反射辐射亮度和入射辐照度的比值，是描述材料表面漫反射特性的具有唯一确定性的函数。

要完整地测量BRDF，实际上要求测量装置具有如下三个主要功能：

功能一：需要入射光源和探测器均能在半球面上灵活方便地运动，即方便控制入射光束和探测器的天顶角和方位角度；

功能二：需要探测器具有大的动态测量范围，目前还没有一种探测器能够覆盖这么宽的探测范围。因为样品不同，BRDF的测量范围不同，即使是同一样品其各个方向的散射光强可能会相差数个甚至十多个数量级，如靠近镜面反射方向和远离镜面反射方向的光强其值相差很大；

功能三：由于散射光可能极其微弱，测量装置应具有从强噪声背景下提取微弱信号的功能；

对于功能一，现有的BRDF测量装置，一般实现了部分功能，如有的装置光源运动能满足要求，探测器只能在沿一维弧线轨迹运动；或者光源固定，只设计了探测器的运动；或只阐述了要这样运动，并没有给出可实现的具体方案，或没有实现运动位置的准确计量；

对于功能二，现有装置一般只设计了单一的探测器，单一探测器的灵敏度是有限的，其探测极限也有限，一般难以实现大动态范围的测量；

对于功能三，现有装置很少给出完善的设计方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种大动态范围全方位样品BRDF测量装置，其可准确计量全方位扫描的BRDF测量装置，并能实现强噪声背景下高精度大动态范围的BRDF测量，如果在探测轨道上安装多个探测器则可实现多点同步快速扫描测量。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种大动态范围全方位样品BRDF测量装置，包括光学平板和控制组件，所述光学平板上设置有运动机构及光学测量组件，其特征在于：所述运动机构及光学测量组件包括样品台、样品、光源轨道、探测器轨道，所述的样品设置于样品台1上，并可实现二维平移和360度旋转，所述的光源轨道和探测器轨道为同心的半圆弧轨道，其两端对称通过转动轴一和转动轴二设置于光学平板的支架上，两轨道同轴转动，转动轴一、转动轴二及样品中心在一条直线上，所述的光源轨道的顶部中心连接有转动的直线拉杆一、探测器轨道的顶部中心连接有转动的直线拉杆二、所述的直线拉杆一通过滑块一滑动连接于直线导轨一上，所述的直线拉杆二通过滑块二滑动连接于直线导轨二上；

所述探测器轨道上设置有探测器模块，探测器模块由光电二极管和光电倍增管组成，两探测器紧靠在一起并安装在探测器轨道上，两探测器的光敏面位于同一水平面，其光敏面连线与半圆弧转轴垂直，所述探测器模块前端设置有导光管，导光管对准样品中心；

所述光源轨道上设置有半导体激光器，半导体激光器的出光光轴沿光源轨道的径向并指向样品中心，半导体激光器的前端设置有透镜；

所述控制组件包括调制驱动模块、双锁相放大控制模块、电机控制模块、数据采集模块和计算机，所述的双锁相放大控制模块依次与数据采集模块、计算机和调制驱动模块连接，计算机与电机控制模块连接；所述的电机控制模块分别与直线导轨一和直线导轨二连接，所述的电机控制模块还与样品台连接；所述的调制驱动模块与半导体激光器连接，所述的双锁相放大控制模块与探测器模块连接。

所述的直线导轨一和直线导轨二对称设置于样品台的两侧，两直线导轨中心线垂直于半圆弧轨道的转动轴。

所述的探测器轨道的半径与光源轨道的半径不同。

所述的探测器轨道、光源轨道、直线导轨一和直线导轨二上分别设置有刻度。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、能方便地控制入射光束和探测器的天顶角和方位角，并能进行准确的计算；当样品旋转180度时，若入射光束方向不变，相当于入射天顶角从正值变为对称的负值，从而实现入射角半球内的全方位改变。

2、双探测器分段工作，当辐射光较强时用光电二极管探测，辐射光较弱时改用光电倍增管探测，计算机自动判断和切换工作探测器，使装置具有大的动态测量范围，克服了使用单一探测器导致的探测范围窄或易损坏探测器的缺陷。

3、利用半导体激光器作为光源，用计算机编程发出调制信号，结合锁相放大器的相关检测去噪功能，使装置具有从强噪声背景下提取微弱信号的功能。

4、在探测器端安装导光管及窄带滤光片，避免了杂散光进入探测器造成测量饱和极大减少了噪声误差。

5、可以在半圆弧轨道上同时布满多个探测器，一次扫描可以完成半球空间的一半空间位置的扫描测量，极大地提高测量效率，同时便于计算方位角和天顶角，即可实现样品空间激光散射的快速准确测量，测试方便、操作简便。

附图说明

图1是本发明测量装置结构示意图；

图2是方位角和天顶角计算示意图。

其中，1-样品台、2-样品、3-光源轨道、4-探测器轨道、5-1转轴一、5-2转轴二、6-探测器模块、7-半导体激光器、8-1滑块一、8-2滑块二、9-1-直线拉杆一、9-2-直线拉杆二、10-1直线导轨一、10-2直线导轨二、11-导光管、12-调制驱动模块、13-双锁相放大控制模块、14-电机控制模块、15-同步数据采集模块、16-计算机、17-光学平板、18-支架。

具体实施方式

下面结合附图对本设计做详细描述：

参见图1：一种大动态范围全方位样品BRDF测量装置，包括光学平板17、计算机16和控制组件，所述光学平板17上设置有运动机构及光学测量组件；

所述运动机构及光学测量组件包括样品台1、样品2、光源轨道3、探测器轨道4，所述光源轨道3、探测器轨道4是同心半圆弧轨道，两端对称设置转动轴一5-1和转动轴二5-2，转动轴一5-1和转动轴二5-2设置于光学平板17的支架18上，两轨道同轴转动，且转动轴一5-1和转动轴二5-2中心及样品中心在同一直线上，光源轨道3的顶部中心连接有一可转动的直线拉杆一9-1、探测器轨道4的顶部中心连接有一可转动的直线拉杆二9-2、两拉杆的另一端分别位于可作直线运动的导轨一10-1及导轨二10-2内，两拉杆可以在电机的驱动下分别由滑块一8-1和滑块二8-2带动在直线轨道一10-1及直线轨道二10-2内运动。直线导轨一10-1及直线导轨二10-2对称安装在样品平面的两侧，其两直线导轨中心线垂直于半圆弧轨道的转动轴。

所述探测器轨道4的半径与光源轨道3的半径尺寸不相同，探测器轨道4上设置有探测器模块6，探测器模块6由光电二极管和光电倍增管组成，光电二极管和光电倍增管紧靠在一起并安装在探测器轨道4上，两探测器的光敏面位于同一平面，其光敏面连线与半圆弧转轴垂直。所述探测器模块6前端安装有导光管11，导光管11对准样品中心。

所述光源轨道3上安装有半导体激光器7，半导体激光器7的出光光轴沿光源轨道3的径向并指向样品中心，在半导体激光器7的前端安装有透镜，可以调节光斑大小。

所述控制组件包括调制驱动模块12、双锁相放大控制模块13、电机控制模块14、数据采集模块15、计算机16，所述的双锁相放大控制模块13依次与数据采集模块15、计算机16和调制驱动模块12连接，计算机16与电机控制模块14连接；所述的电机控制模块14分别与直线导轨一10-1和直线导轨二10-2连接，所述的电机控制模块14还与样品台连接；所述的调制驱动模块12与半导体激光器7连接，所述的双锁相放大控制模块13与探测器模块6连接。

计算机16控制调制驱动模块12发出具有一定功率的方波信号驱动半导体激光器7发光，双探测器的输出信号送双锁相放大模块分别进行不同倍数的放大，由计算机16根据同步数据采集模块15采集的信号大小调节放大倍数，计算机16连接电机控制模块14，通过电机控制模块14驱动直线导轨上的滑块带动拉杆沿直线导轨运动从而可以带动光源轨道或探测器轨道的转动。电机控制模块14还可以驱动样品台平移和旋转。

所述探测器轨道4、光源轨道)、直线导轨一10-1和直线导轨二10-2上分别设置有刻度，根据起始位置以及探测器模块或激光器所在的刻度位置，以及直线滑块的运动距离可以计算出探测器或激光器所处位置的天顶角和方位角。

本发明探测器模块与半导体激光器空间天顶角与方位角的计算参见图2，以光源轨道上的光源所在空间位置为例，图2中：R—轨道半径；L—拉杆长度；d₁—导轨转轴与直线导轨垂直高度；d₂—样品台中心与直线导轨距离；X—直线导轨移动距离；θ—拉杆与水平面夹角。

如图2，拉杆、半圆弧轨道、直线导轨组成运动示意图。从初始位置0处，半圆弧轨道开始转动，至位置1处，直线导轨运动距离X，拉杆与水平面夹角为θ，至位置2时，导轨与水平面夹角为0°。

天顶角：根据余弦定理，推出导轨转角θ与直线位移导轨移动距离X的函数关系：

$\mathrm{\θ}=arccos\frac{R^2+{d_1}^2+{(d_2+X)}^2-L^2}{2R\sqrt{{d_1}^2+{(d_2+X)}^2}}-\arctan \frac{d_1}{d_2+X}$

得到天顶角为：90°-θ

方位角：半圆弧轨道端面刻有0°～180°角度刻线，根据探测器模块在轨道上的位置可得方位角大小。

所述样品2置于样品台1的水平面上，样品台1可实现二维平移和360度旋转，通过二维平移可以对样品进行扫描测量，当样品旋转180度时，若入射光束方向不变，相当于入射天顶角从正值变为对称的负值，从而实现入射角半球内的全方位改变。

测量过程描述如下：

参见图1，将待测样品置于水平样品台上，初始样品中心与半圆弧中心重合，计算机控制调制驱动模块产生有驱动能力的方波信号驱动半导体激光器发光，经半导体激光器前安装的透镜将光斑变换后照射到样品的中心，探测器前端安装有导光管，导光管沿探测器轨道径向安装，部分散射光可以沿导光管照射到探测器光敏面上，通过电机驱动滑块在直线轨道上运动，从而通过拉杆使圆弧形轨道绕转轴旋转运动，计算机根据需要分别设定滑块的运动速度和运动距离，从而定位光源和探测器的天顶角，首先光电二极管处于工作状态，其放大倍数首先设置为最小，计算机判断采集的数据大小来设定光电二极管放大电路的倍数及是否需要启动光电倍增管工作，当光电二极管处于最大放大倍数条件下依然信号很微弱时启动光电倍增管工作，光电二极管和光电倍增管的输出信号送锁相放大器进行锁相放大后经同步数据采集模块送计算机。

实施例2：在实施例1的基础上可在导光管11前端加装滤光片，且导光管11内壁黑化处理，样品表面散射光经导光管和滤光片入射到探测器上，导光管的设置一方面避免了空间杂散光入射到探测器对测量造成的影响，另一方面避免了入射光路上灰尘等颗粒对测量造成的影响，滤光片则只允许一定波长范围的光入射到探测器，极大地提高了测量的信噪比。

实施例3：与实施例1不同点是：可在探测器轨道上布满探测器模块，并相应的增加锁相放大器模块和数据采集通道，对测量信号进行类似的同步采集和放大倍数的调整，即可实现多点同步测量，提高测量效率。

实施例4：在实施例1的基础上：对于光源入射光功率的测量，可以将样品更换为全反射镜，入射光的入射角和方位角调节到某一位置处，如天顶角设置为-30°，方位角为90°，同时暂时取下光电倍增管(避免强光损害)，可在导光管11前端加衰减片，将光能量衰减到光电二极管的探测范围即可，探测器模块天顶角设置为30°，方位角为270°，即让反射光进入光电二极管进行探测获得入射参考光的辐射通量，便于计算BRDF(注：可以将转轴一5-1与转轴二5-2的轴连线组成X轴，X轴的方向定义为从转轴二5-2指向转轴一5-1，直线导轨一10-1与直线导轨二10-2的轴连线组成Y轴，Y轴的方向定义为从直线导轨二10-2指向直线导轨一10-1，Z轴垂直于样品中心，指向上方)。

Claims (4)

1.一种大动态范围全方位样品BRDF测量装置，包括光学平板(17)和控制组件，所述光学平板(17)上设置有运动机构及光学测量组件，其特征在于：所述运动机构及光学测量组件包括样品台(1)、样品(2)、光源轨道(3)、探测器轨道(4)，所述的样品(2)设置于样品台1上，并可实现二维平移和360度旋转，所述的光源轨道(3)和探测器轨道(4)为同心的半圆弧轨道，其两端对称通过转动轴一(5-1)和转动轴二(5-2)设置于光学平板(17)的支架(18)上，两轨道同轴转动，转动轴一(5-1)、转动轴二(5-2)及样品中心在一条直线上，所述的光源轨道(3)的顶部中心连接有转动的直线拉杆一(9-1)、探测器轨道(4)的顶部中心连接有转动的直线拉杆二(9-2)、所述的直线拉杆一(9-1)通过滑块一(8-1)滑动连接于直线导轨一(10-1)上，所述的直线拉杆二(9-2)通过滑块二(8-2)滑动连接于直线导轨二(10-2)上；

所述探测器轨道(4)上设置有探测器模块(6)，探测器模块(6)由光电二极管和光电倍增管组成，两探测器紧靠在一起并安装在探测器轨道(4)上，两探测器的光敏面位于同一水平面，其光敏面连线与半圆弧转轴垂直，所述探测器模块(6)前端设置有导光管(11)，导光管(11)对准样品(2)中心；

所述光源轨道(3)上设置有半导体激光器(7)，半导体激光器(7)的出光光轴沿光源轨道(3)的径向并指向样品(2)中心，半导体激光器(7)的前端设置有透镜；

所述控制组件包括调制驱动模块(12)、双锁相放大控制模块(13)、电机控制模块(14)、数据采集模块(15)和计算机(16)，所述的双锁相放大控制模块(13)依次与数据采集模块(15)、计算机(16)和调制驱动模块(12)连接，计算机(16)与电机控制模块(14)连接；所述的电机控制模块(14)分别与直线导轨一(10-1)和直线导轨二(10-2)连接，所述的电机控制模块(14)还与样品台连接；所述的调制驱动模块(12)与半导体激光器(7)连接，所述的双锁相放大控制模块(13)与探测器模块(6)连接。

2.根据权利要求1所述的一种大动态范围全方位样品BRDF测量装置，其特征在于：所述的直线导轨一(10-1)和直线导轨二(10-2)对称设置于样品台的两侧，两直线导轨中心线垂直于半圆弧轨道的转动轴。

3.根据权利要求1或2所述的一种大动态范围全方位样品BRDF测量装置，其特征在于：所述的探测器轨道(4)的半径与光源轨道(3)的半径不同。

4.根据权利要求3所述的一种大动态范围全方位样品BRDF测量装置，其特征在于：所述的探测器轨道(4)、光源轨道(3)、直线导轨一(10-1)和直线导轨二(10-2)上分别设置有刻度。