CN106404675A - 一种测量粗糙表面面外偏振双向反射函数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种测量粗糙表面面外偏振双向反射函数的方法。使光源产生的光线经偏振态发生器到达待测材料，待测材料反射的光线经偏振态分析器到达探测器；将待测材料围绕一定光路旋转一定角度，且保证光路在待测材料上的光斑位置不发生变化；旋转偏振态发生器或偏振态分析器，使偏振态发生器穆勒矩阵或偏振态分析器的穆勒矩阵发生变化；探测器采集一次出射光数据并存储，直至探测器至少采集十六次出射光数据；根据探测器采集并存储的出射光数据获得面外偏振双向反射函数。本发明方法原理简单，易实施，只需改变辅助角即可改变待测材料相对于光源或者探测器的天顶角或方位角，同时能有效测量方位角改变对偏振双向反射函数的影响。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体涉及一种测量粗糙表面面外偏振双向反射函数的方法。
背景技术
入射光与界面发生相互作用产生的偏振效应是独特且有辨识性的，它能有效改善人造物体的检测效果，同时对用于探测和识别的光谱算法的改进也有所帮助。双向反射分布函数能有效的描述材料表面的散射光特性，而偏振双向反射分布函数是标量双向反射分布函数的一般化形式，能够模拟表面散射光学中的偏振效应。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种测量粗糙表面面外偏振双向反射函数的方法，该方法原理简单，易实施，只需改变辅助角即可改变待测材料相对于光源或者探测器的天顶角或方位角，同时能有效测量方位角改变对偏振双向反射函数的影响，利于后续的科研。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种测量粗糙表面面外偏振双向反射函数的方法，包括以下步骤：
步骤1，构造光路，使光源产生的光线经偏振态发生器到达待测材料，待测材料反射的光线经偏振态分析器到达探测器；
步骤2，将待测材料围绕一定光路旋转一定角度，且保证在旋转过程中，光路在待测材料上的光斑位置不发生变化；
步骤3，旋转偏振态发生器或偏振态分析器，使偏振态发生器穆勒矩阵MP或偏振态分析器的穆勒矩阵MA发生变化；
步骤4，探测器采集一次出射光数据并存储，然后重复步骤3，直至探测器至少采集十六次出射光数据；
步骤5，根据探测器采集并存储的出射光数据获得面外偏振双向反射函数。
进一步，在步骤2中，所述的待测材料围绕入射光光路旋转，此时旋转角为微面元 法线与宏观面法线在入射光方向的夹角ηi，相对于待测材料宏观面，入射光的天顶角θi不变，出射光的天顶角θr变化。
进一步，在步骤2中，所述的待测材料围绕出射光光路旋转，此时旋转角为微面元法线与宏观面法线在入射光方向的夹角ηr，相对于待测材料宏观面，出射光的天顶角θr不变，入射光的天顶角θi变化。
进一步，在步骤5中，根据光路传输方程Sout＝MAFSMFStn，直接联立出射光的16个方程组解得面外偏振双向反射函数FS。
进一步，在步骤5中，根据如下所示近似傅里叶级数的光强I(t)关系式，求解傅里叶系数α2n和β2n，获得用傅里叶系数表示的面外偏振双向反射函数FS，
式中，n是探测器采集出射光数据的次数，IO为辐照度对时间的平均值，α2n和β2n为傅里叶系数，C为偏振态发生器或偏振态分析器中两块波片共有的单位角度，φ2n为相位修正角度。
上本发明与现有技术相比，其显著优点在于，(1)原理简单，只需改变辅助角即可改变待测材料相对于光源或者探测器的天顶角或方位角，(2)容易实施并且实施条件简单，所需测量设备不再局限于圆弧导轨。
附图说明
图1是待测材料粗糙表面的宏观示意图。
图2是待测材料粗糙表面的微面元示意图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明测量粗糙表面面外偏振双向反射函数的方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
基于微面元模型的偏振双向反射函数在学术界得到广泛的认可，其假设一般的粗糙材料表面是由一系列的微面元构成，而每一个微面元认为是遵循菲尼尔方程的镜面反射面，此外微面元的整体分布遵循一定的统计分布函数。4*4的偏振双向反射函数FS具体 定义式如下：
其中，如图1所示，
分别代表入射光的天顶角和方位角，
分别代表反射光的天顶角和方位角，方位角
如图2所示，θ是微面元法向量和宏观面法向量之间的夹角，β是微面元的天顶角。就本质上而言，穆勒矩阵M是考虑偏振和微面元效应后的反射率。p(σ，θ)是高斯分布函数，σ作为可变的宽度分布因子，实质的物理意义与表面粗糙度相关。前述方程(1)中的穆勒矩阵M一般由琼斯矩阵T推导而得，其简单推导如下所述：
其中，
分别代表入射光和反射光中的s光的电场分量，而
分别代表入射光和反射光中的p光的电场分量。s光和p光的菲涅尔反射系数rs、rp将入射电场与反射电场两者关联。辅助角ηi、ηr分别是宏观面法线和微面元法线之间沿入射方向、出射方向 的夹角。一般而言，ηi、ηr两者不等，但是两者都是由
决定的唯一值。最后通过穆勒矩阵M与琼斯矩阵T的关系式即可得到粗糙表面的偏振双向反射函数。
为测得面外偏振双向反射函数，传统的测量方法是将样本固定于图1的x-y平面，调节光源和探测器的位置实现方位角的变化。这样的方法易于理解，实际操作却比较复杂。为了保证在光源和探测器的位置变化时探测器采集到的待测材料无位移，就需要价格昂贵的圆弧导轨，并且待测材料必须保证固定于圆弧导轨的圆心。
本发明所述测量粗糙表面面外偏振双向反射函数的方法，具体步骤如下：
步骤1，构造光路，使光源产生的光线经偏振态发生器到达待测材料，待测材料反射的光线经偏振态分析器到达探测器；
步骤2，将待测材料围绕入射光路旋转且在旋转过程中入射光路在待测材料上的光斑位置不发生变化，此时旋转角为微面元法线与宏观面法线在入射光路方向的夹角ηi，相对于待测材料宏观面而言，入射光路的天顶角θi不变，出射光路的天顶角θr变化。在前述方程(6)中，入射光路的天顶角θi和微面元的天顶角β不变，已知辅助角ηi即可推导出相应的出射光路的天顶角θr，再代入前述方程(3)求得方位角这样就间接改变入射光路方位角与出射光路方位角的夹角即
在上述步骤2中，所述的待测材料还可以围绕出射光路旋转且在旋转过程中出射光路在待测材料上的光斑位置不发生变化，此时旋转角为微面元法线与宏观面法线在入射光路方向的夹角ηr，相对于待测材料宏观面而言，出射光路的天顶角θr不变，入射光路的天顶角θi变化。在前述方程(7)中，出射光路的天顶角θr和微面元的天顶角β不变，已知辅助角ηr即可推导出相应的入射光路的天顶角θi，再代入前述方程(3)求得方位角这样就间接改变入射光路方位角与出射光路方位角的夹角即
步骤3，旋转偏振态发生器或偏振态分析器，使偏振态发生器穆勒矩阵MP或偏振态分析器的穆勒矩阵MA发生变化；偏振态发生器和偏振态分析器都是由一块偏振片和一块波片构成，对于入射光先经过偏振态发生器的偏振片再经过波片，而出射光先经过偏振态分析器的波片再经过偏振片到达探测器。
步骤4，探测器采集一次出射光数据并存储，重复步骤3。由于偏振双向反射函数FS是4*4的矩阵，至少共旋转偏振态发生器或偏振态分析器十六次，探测器至少再次十六 次下分别采集十六次出射光数据才能求得该函数；
步骤5，将探测器采集并存储的所有出射光数据根据光路传输方程Sout＝MAFSMFStn，直接联立16个出射光方程组解得面外偏振双向反射函数FS。重复步骤2，进行下一方位角的数据测量。
在步骤5中，所述的数据处理还可以是傅里叶分析。由于探测器获得的数据是出射光的光强信息，所以将光路传输方程：Sout＝MAFSMFStn按第一行展开，得到近似傅里叶级数的光强关系式：
式中，n是探测器采集出射光数据的次数，IO为辐照度对时间的平均值，α2n和β2n为傅里叶系数，C为偏振态发生器或偏振态分析器中两块波片共有的单位角度，φ2n为相位修正角度。
Claims (5)
1.一种测量粗糙表面面外偏振双向反射函数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，构造光路，使光源产生的光线经偏振态发生器到达待测材料，待测材料反射的光线经偏振态分析器到达探测器；
步骤2，将待测材料围绕一定光路旋转一定角度，且保证在旋转过程中，光路在待测材料上的光斑位置不发生变化；
步骤3，旋转偏振态发生器或偏振态分析器，使偏振态发生器穆勒矩阵MP或偏振态分析器的穆勒矩阵MA发生变化；
步骤4，探测器采集一次出射光数据并存储，然后重复步骤3，直至探测器至少采集十六次出射光数据；
步骤5，根据探测器采集并存储的出射光数据获得面外偏振双向反射函数。
2.根据权利1所述面外偏振双向反射函数的方法，其特征在于，步骤2中，所述的待测材料围绕入射光光路旋转，此时旋转角为微面元法线与宏观面法线在入射光方向的夹角ηi，相对于待测材料宏观面，入射光的天顶角θi不变，出射光的天顶角θr变化。
3.根据权利1所述面外偏振双向反射函数的方法，其特征在于，步骤2中，所述的待测材料围绕出射光光路旋转，此时旋转角为微面元法线与宏观面法线在入射光方向的夹角ηr，相对于待测材料宏观面，出射光的天顶角θr不变，入射光的天顶角θi变化。
4.根据权利1至3所述面外偏振双向反射函数的方法，其特征在于，步骤5中，根据光路传输方程Sout＝MAFSMPStn，直接联立出射光的16个方程组解得面外偏振双向反射函数FS。
5.根据权利1至3所述面外偏振双向反射函数的方法，其特征在于，步骤5中，根据如下所示近似傅里叶级数的光强I(t)关系式，求解傅里叶系数α2n和β2n，获得用傅里叶系数表示的面外偏振双向反射函数FS，
式中，n是探测器采集出射光数据的次数，I0为辐照度对时间的平均值，α2n和β2n为傅里叶系数，C为偏振态发生器或偏振态分析器中两块波片共有的单位角度，φ2n为相位修正角度。
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