CN109187376B - 一种全量程物体表面光谱反射率测试方法 - Google Patents

一种全量程物体表面光谱反射率测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全量程物体表面反射率测试方法,该方法首先利用100%反射率标定基准片确定其指定波长的信号强度值E1n和归一系数C1n,其次利用低反射率标定基准片确定其指定波长的信号强度值为Ekn和归低系数Ckn,测定工件实际的可见光区指定波长测试点的信号强度En后,根据En所落入的范围确定赋予C1n和Ckn的采信权重,求出归标系数Cn,最终确定指定波长位置Rn。测试人员实现利用基准标定片确定归一系数和归低系数,并进一步确定归标系数Cn。整个过程测试数据误差小,适用全量程,操作方便快捷。

Description

一种全量程物体表面光谱反射率测试方法
技术领域
本发明属于光电检测技术领域,特别涉及一种全量程物体表面光谱反射率测试方法。
背景技术
近年来真空镀膜技术飞速发展,应用广泛,其经济体量巨大。真空镀膜产品通常为镜面。不同的镀膜材料产生的镀膜产品,其表面光谱反射率曲线呈现的形状各异,而镀膜表面的光谱反射率曲线形状直接代表该镀膜表面的表观颜色的差异。不同镀膜产品表面的光谱反射率的数值从百分之几到百分之几十不等,其数值跨度相当大。在实际操作中常使用分光光度计来检测镀膜产品的成品质量。
分光光度计主要应用光谱反射率测试法来实现其测试功能。传统的分光光度计一般分为扫描式分光光度计和宽光谱分光光度计。扫描式分光光度计一般由分光系统、光谱扫描系统和光电装换系统组成。扫描式分光光度计在实际使用时,首先使用光栅将光源分散为各个不同的波长,测试人员旋转光栅或其他光学元件,通过狭缝分别选择不同波长,利用不同波长测试不同波长位置下待测工件表面材料对该波长的反射率或透过率,持续旋转光栅或其他光学元件,即可得到待测工件表面材料对指定波长范围内的各个波长点的反射率或透过率。该种分光光度计的存在较明显的测试时间长,测试效率低,不适合自动化生产过程等缺点。相比之下,宽光谱分光光度计更适用于自动化生产过程中,宽光谱分光光度计又称阵列式分光光度计,阵列式分光光度计在工作时,整个光谱范围的光都照射在待测工件表面上,待测工件表面材料经由连续光谱照射可一次性获得待测工件表面材料对指定波长范围内的各个波长点的反射率或透过率。阵列式分光光度计无需扫描,其测试的速度相较扫描式分光光度计更快。
例如,现有反射率测试实验中常用的一种阵列式分光光度计,兼有检测透射和反射功能,用户使用该分光光度计测试工件表面的反射率时,首先将测试光线直接照射在光接收器上,此时将光接收器上接收到的光信号作100%标定,然后将测试工件放置在测试架上,将光接收器转移至光线反射位置上接收测试工件上的反射光线,以此测试工件表面光谱反射率。使用该种分光光度计测试镀铝镜或者反射率为50%左右的镀铬表面时,测试数据基本准确。但申请人发现,如使用该分光光度计测试光谱反射率较低的工件表面时(如平板玻璃工件、镀AR膜工件等),在实际测试时读到较小的测试电信号强度En,因为此En小到超出了做“归一化”标定时读到的E1n所在的线性区,导致它测试低反射率样品时出现较大误差,该分光光度计仅适合测试光谱反射率较高的工件。
而现有反光率测试实验中常用的另一种阵列式分光光度计,该光度计用于光学镜头镀制AR膜后的光谱反射率测量,被广泛使用,但它不适合测试高反射率物体表面的光谱反射率,在实际测试时读到较大的测试电信号强度En,因为此En大到超出了做“归低化”标定时读到的Ekn所在的线性区,导致它测试高反射率样品时会出现较大误差,该分光光度计仅适合测试光谱反射率较低的工件。
发明内容
为解决上述问题,本发明的目的在于提供一种不仅适用测试低反射率表面工件、同时也适用测试高反射率表面工件的全量程物体表面光谱反射率测试方法。
本发明的另一个目的在于提供一种全量程物体表面光谱反射率测试方法,该方法应用范围广、操作便捷,适于广泛推广。
为实现上述目的,本发明的技术方案如下:
本发明公开了一种全量程物体表面光谱反射率测试方法,该方法包括有以下步骤:
S1:确定归一系数:将100%反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上,测得该基准片的可见光区指定波长测试点的信号强度值E1n,并根据E1n推算出归一系数C1n;
S2:确定归低系数:将低反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上,测得该基准片可见光区指定波长测试点的信号强度值为Ekn,并根据Ekn推算出归低系数Ckn;
S3:测定工件实际的可见光区指定波长测试点的信号强度:将实际待测工件放置在光谱仪载物架上,并测得该实际待测工件可见光区指定波长测试点的信号强度值En;
S4:确定归标系数:定义W1是该指定波长测试点采信C1n的权重,定义Wk为该指定波长测试点采信Ckn的权重,且W1+Wk=1;定义Eul为采信上限,定义Ell为采信下限,且0<Ekn≤Ell<Eul<E1n;如Eul<En<E1n,则完全采信C1n,此时取W1=1,Wk=0;如Ell≤En≤Eul,此时取W1=(En-Ell)/(Eul-Ell),Wk=(Eul-En)/(Eul-Ell);如0<En<Ell;则完全采信Ckn,此时取W1=0,Wk=1;确定W1和Wk的取值后,根据Cn=C1n*W1+Ckn*Wk,计算出归标系数Cn;
S5:计算待测工件指定波长的反射率Rn:利用Rn=En*Cn计算出待测工件指定波长的反射率;
S6:生成光谱反射率曲线:连接所有Rn构成待测工件的光谱反射率曲线Rs。
本发明提供的测试方法不仅适用于高反射率表面的测试,也适用于低反射率表面的测试。测试人员在测试的过程中,首先使用100%反射率标定基准片标定高反射率表面,测定并推算其归一系数;再使用低反射率标定基准片标定低反射率表面,测定并推算其归低系数;测定待测工件的实际可见光区指定波长测试点的信号强度En,判定En的范围,如Eul<En<E1n,则表明En更靠近高反射率物体表面可见光区指定波长测试点的信号强度值E1n,此时完全采信C1n;如Ell≤En≤Eul,则表明En介于高反射率物体表面可见光区指定波长测试点的信号强度值和低反射率物体表面可见光区指定波长测试点的信号强度值之间(介于采信上限与采信下限之间),此时根据En的靠近程度分配采信权重;如0<En<Ell,则表明En更靠近低反射率物体表面可见光区指定波长测试点的信号强度值Ekn,此时完全采信Ckn,进而计算出待测工件指定波长的反射率。
进一步地,采信上限Eul为0.5-1倍E1n,所述采信下限Ell为1-2倍Ekn。申请人需要强调的是,此处提及的采信上限和采信下限为申请人在实际应用过程中的的经验取值,针对不同的被测材质、不同的实验环境及其他影响测试结果的因素决定,是申请人在反复多次实验过程中的经验累积,不同测试实验中有不同取值。
进一步地,S1:确定归一系数:将100%反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上,测得可见光区每个波长的信号强度值E1n,并根据E1n推算出归一系数C1n包括以下子步骤:
S11:选取合适的积分时间,将100%反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上;
S12:在光谱仪程序上读取可见光区指定波长测试点的信号强度值E1n;
S13:由C1n=1/E1n推算出归一系数C1n。
其中,100%反射率标定基准片为全介质材料镀制的可见光区高反膜,其堆层数为60层。由于电介质在可见光区不存在吸收,100%反射率标定标准片满足R1=1-T1(T1为该基准片的透过率)。依据光学薄膜理论设计并采用先进的离子束溅射镀膜技术制备的上述可见区高反射膜在整个可见光区都小于0.1%,因此R1≈1,准确度优于99.9%。选用全介质材料镀制的可见光区高反膜可最大程度减小误差,准确完成100%标定。
进一步地,S2:确定归低系数:将低反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上,测得可见光区指定波长测试点的信号强度值为Ekn,并根据Ekn推算出归低系数Ckn包括以下子步骤:
S21:将低反射率标定基准片放置在光谱仪载物架上;
S22:在光谱仪程序上读取可见光区指定波长的的信号强度值Ekn;
S23:由Ekn*Ckn=Rkn推算出归低系数Ckn。
其中,低反射率标定基准片为片状楔形K9玻璃;片状楔形K9玻璃的上表面为经精密研磨抛光的镜面表面,其下表面为粗磨加工的沙面表面,且下表面上均匀涂覆有黑色油墨。K9玻璃的分光折射率是已知的,根据该分光折射率,可以依据:Rkn=(Nk-Na)2/(Nk+Na)2计算出测试光束垂直入射时K9玻璃的光谱反射率值Rkn(其中:Nk为K9玻璃的光谱分光折射率,Na为空气折射率)。实际操作时,操作人员查阅可见区主要波长下的K9玻璃反射率表即可清楚得知可见光区指定波长下的K9玻璃反射率Rkn。
下表为可见区主要波长下的K9玻璃在指定波长条件下的反射率:(表中数据来自filmetrics网站)。
波长(nm) 380 400 450 500 550 600 650 700 760
折射率* 1.5336 1.5309 1.5251 1.5215 1.5185 1.5162 1.5144 1.513 1.5115
R<sub>kn</sub>(%) 4.44 4.40 4.32 4.28 4.24 4.21 4.19 4.17 4.15
本发明的优势在于:相比于现有技术,在本发明提供的测试方法在应用过程中,测试人员实现利用基准标定片确定归一系数和归低系数,测得实际待测工件的可见光区指定波长测试点的信号强度En后,根据En的落入范围确定赋予C1n和Ckn的采信权重,最终推算出待测工件指定波长的反射率Rn。整个过程测试数据误差小,适用全量程,操作方便快捷。
附图说明
图1是本发明全量程物体表面光谱反射率测试方法的流程图。
图2是采用本方法的测试仪与柯尼卡-美能达CM2600d分光光度计分别测试K9玻璃可见光反射率曲线对比。
图3是采用本方法的测试仪与柯尼卡-美能达CM2600d分光光度计分别测试镀制了AR的玻璃盖板可见光反射率曲线对比。
图4是采用本方法的测试仪与柯尼卡-美能达CM2600d分光光度计分别测试黑色陶瓷盖板可见光反射率曲线对比。
图5是采用本方法的测试仪与柯尼卡-美能达CM2600d分光光度计分别测试全介质高反标样可见光反射率曲线对比。
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仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本方法在具体应用时,测试人员可取采信上限Eul为0.5倍E1n,采信下限Ell为1倍Ekn。
为实现上述目的,本发明的技术方案如下:
具体实施例一:
参见图1和图2,本发明提供一种全量程物体表面光谱反射率测试方法,该方法包括有以下步骤:
S1:确定归一系数:将100%反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上,测得该基准片的可见光区指定波长测试点的信号强度值E1n,并根据E1n推算出归一系数C1n;
S2:确定归低系数:将低反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上,测得该基准片可见光区指定波长测试点的信号强度值为Ekn,并根据Ekn推算出归低系数Ckn;
S3:测定工件实际的可见光区指定波长测试点的信号强度:将实际待测工件放置在光谱仪载物架上,并测得该实际待测工件可见光区指定波长测试点的信号强度值En;
S4:确定归标系数:定义W1是该指定波长测试点采信C1n的权重,定义Wk为该指定波长测试点采信Ckn的权重,且W1+Wk=1;定义Eul为采信上限,定义Ell为采信下限,且0<Ekn≤Ell<Eul<E1n;如Eul<En<E1n,则完全采信C1n,此时取W1=1,Wk=0;如Ell≤En≤Eul,此时取W1=(En-Ell)/(Eul-Ell),Wk=(Eul-En)/(Eul-Ell);如0<En<Ell;则完全采信Ckn,此时取W1=0,Wk=1;确定W1和Wk的取值后,根据Cn=C1n*W1+Ckn*Wk,计算出归标系数Cn;
S5:计算待测工件指定波长的反射率Rn:利用Rn=En*Cn计算出待测工件指定波长的反射率;
S6:生成光谱反射率曲线:连接所有Rn构成待测工件的光谱反射率曲线Rs。
本发明提供的测试方法不仅适用于高反射率表面的测试,也适用于低反射率表面的测试。测试人员在测试的过程中,首先使用100%反射率标定基准片标定高反射率表面,测定并推算其归一系数;再使用低反射率标定基准片标定低反射率表面,测定并推算其归低系数;测定待测工件的实际可见光区指定波长测试点的信号强度En,判定En的范围,如Eul<En<E1n,则表明En更靠近高反射率物体表面可见光区指定波长测试点的信号强度值E1n,此时完全采信C1n;如Ell≤En≤Eul,则表明En介于高反射率物体表面可见光区指定波长测试点的信号强度值和低反射率物体表面可见光区指定波长测试点的信号强度值之间(介于采信上限与采信下限之间),此时根据En的靠近程度分配采信权重;如0<En<Ell,则表明En更靠近低反射率物体表面可见光区指定波长测试点的信号强度值Ekn,此时完全采信Ckn,进而计算出待测工件指定波长的反射率。
进一步地,采信上限Eul为0.5-1倍E1n,所述采信下限Ell为1-2倍Ekn。申请人需要强调的是,此处提及的采信上限和采信下限为申请人在实际应用过程中的的经验取值,针对不同的被测材质、不同的实验环境及其他影响测试结果的因素决定,是申请人在反复多次实验过程中的经验累积,不同测试实验中有不同取值。
进一步地,S1:确定归一系数:将100%反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上,测得可见光区每个波长的信号强度值E1n,并根据E1n推算出归一系数C1n包括以下子步骤:
S11:选取合适的积分时间,将100%反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上;
S12:在光谱仪程序上读取可见光区指定波长测试点的信号强度值E1n;
S13:由C1n=1/E1n推算出归一系数C1n。
其中,100%反射率标定基准片为全介质材料镀制的可见光区高反膜,其堆层数为60层。由于电介质在可见光区不存在吸收,100%反射率标定标准片满足R1=1-T1(T1为该基准片的透过率)。依据光学薄膜理论设计并采用先进的离子束溅射镀膜技术制备的上述可见区高反射膜在整个可见光区都小于0.1%,因此R1≈1,准确度优于99.9%。选用全介质材料镀制的可见光区高反膜可最大程度减小误差,准确完成100%标定。
进一步地,S2:确定归低系数:将低反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上,测得可见光区指定波长测试点的信号强度值为Ekn,并根据Ekn推算出归低系数Ckn包括以下子步骤:
S21:将低反射率标定基准片放置在光谱仪载物架上;
S22:在光谱仪程序上读取可见光区指定波长的的信号强度值Ekn;
S23:由Ekn*Ckn=Rkn推算出归低系数Ckn。
其中,低反射率标定基准片为片状楔形K9玻璃;片状楔形K9玻璃的上表面为经精密研磨抛光的镜面表面,其下表面为粗磨加工的沙面表面,且下表面上均匀涂覆有黑色油墨。K9玻璃的分光折射率是已知的,根据该分光折射率,可以依据:Rkn=(Nk-Na)2/(Nk+Na)2计算出测试光束垂直入射时K9玻璃的光谱反射率值Rkn(其中:Nk为K9玻璃的光谱分光折射率,Na为空气折射率)。实际操作时,操作人员查阅可见区主要波长下的K9玻璃反射率表即可清楚得知可见光区指定波长下的K9玻璃反射率Rkn。
下表为可见区主要波长下的K9玻璃在指定波长条件下的反射率:(表中数据来自filmetrics网站)。
波长(nm) 380 400 450 500 550 600 650 700 760
折射率* 1.5336 1.5309 1.5251 1.5215 1.5185 1.5162 1.5144 1.513 1.5115
R<sub>kn</sub>(%) 4.44 4.40 4.32 4.28 4.24 4.21 4.19 4.17 4.15
利用上述方法,在本具体实施例中,待测工件取K9玻璃,利用可见光反射率测试仪测试其可见光单面反射率,选择完全采信Ckn的权重,即Wk=1,W1=0;Rn=Ckn*En。根据计算获得K9玻璃可见光单面反射率曲线,并与柯尼卡-美能达CM2600d分光光度计测试的结果以及filmetric网站上给出的BK7(K9)玻璃折射率计算出来的反射率数据进行比较,其比较结果如图2所示。结果表明,本发明提供的监测方法检测的反射率较柯尼卡-美能达CM2600d的监测结果低0.3-0.4%,且更接近理论计算的反射率。
具体实施例二:
请参阅图1和图3,本发明提供一种全量程物体表面光谱反射率测试方法,该方法包括有以下步骤:
S1:确定归一系数:将100%反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上,测得该基准片的可见光区指定波长测试点的信号强度值E1n,并根据E1n推算出归一系数C1n;
S2:确定归低系数:将低反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上,测得该基准片可见光区指定波长测试点的信号强度值为Ekn,并根据Ekn推算出归低系数Ckn;
S3:测定工件实际的可见光区指定波长测试点的信号强度:将实际待测工件放置在光谱仪载物架上,并测得该实际待测工件可见光区指定波长测试点的信号强度值En;
S4:确定归标系数:定义W1是该指定波长测试点采信C1n的权重,定义Wk为该指定波长测试点采信Ckn的权重,且W1+Wk=1;定义Eul为采信上限,定义Ell为采信下限,且0<Ekn≤Ell<Eul<E1n;如Eul<En<E1n,则完全采信C1n,此时取W1=1,Wk=0;如Ell≤En≤Eul,此时取W1=(En-Ell)/(Eul-Ell),Wk=(Eul-En)/(Eul-Ell);如0<En<Ell;则完全采信Ckn,此时取W1=0,Wk=1;确定W1和Wk的取值后,根据Cn=C1n*W1+Ckn*Wk,计算出归标系数Cn;
S5:计算待测工件指定波长的反射率Rn:利用Rn=En*Cn计算出待测工件指定波长的反射率;
S6:生成光谱反射率曲线:连接所有Rn构成待测工件的光谱反射率曲线Rs。
本发明提供的测试方法不仅适用于高反射率表面的测试,也适用于低反射率表面的测试。测试人员在测试的过程中,首先使用100%反射率标定基准片标定高反射率表面,测定并推算其归一系数;再使用低反射率标定基准片标定低反射率表面,测定并推算其归低系数;测定待测工件的实际可见光区指定波长测试点的信号强度En,判定En的范围,如Eul<En<E1n,则表明En更靠近高反射率物体表面可见光区指定波长测试点的信号强度值E1n,此时完全采信C1n;如Ell≤En≤Eul,则表明En介于高反射率物体表面可见光区指定波长测试点的信号强度值和低反射率物体表面可见光区指定波长测试点的信号强度值之间(介于采信上限与采信下限之间),此时根据En的靠近程度分配采信权重;如0<En<Ell,则表明En更靠近低反射率物体表面可见光区指定波长测试点的信号强度值Ekn,此时完全采信Ckn,进而计算出待测工件指定波长的反射率。
进一步地,采信上限Eul为0.5-1倍E1n,所述采信下限Ell为1-2倍Ekn。申请人需要强调的是,此处提及的采信上限和采信下限为申请人在实际应用过程中的的经验取值,针对不同的被测材质、不同的实验环境及其他影响测试结果的因素决定,是申请人在反复多次实验过程中的经验累积,不同测试实验中有不同取值。
进一步地,S1:确定归一系数:将100%反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上,测得可见光区每个波长的信号强度值E1n,并根据E1n推算出归一系数C1n包括以下子步骤:
S11:选取合适的积分时间,将100%反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上;
S12:在光谱仪程序上读取可见光区指定波长测试点的信号强度值E1n;
S13:由C1n=1/E1n推算出归一系数C1n。
其中,100%反射率标定基准片为全介质材料镀制的可见光区高反膜,其堆层数为60层。由于电介质在可见光区不存在吸收,100%反射率标定标准片满足R1=1-T1(T1为该基准片的透过率)。依据光学薄膜理论设计并采用先进的离子束溅射镀膜技术制备的上述可见区高反射膜在整个可见光区都小于0.1%,因此R1≈1,准确度优于99.9%。选用全介质材料镀制的可见光区高反膜可最大程度减小误差,准确完成100%标定。
进一步地,S2:确定归低系数:将低反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上,测得可见光区指定波长测试点的信号强度值为Ekn,并根据Ekn推算出归低系数Ckn包括以下子步骤:
S21:将低反射率标定基准片放置在光谱仪载物架上;
S22:在光谱仪程序上读取可见光区指定波长的的信号强度值Ekn;
S23:由Ekn*Ckn=Rkn推算出归低系数Ckn。
其中,低反射率标定基准片为片状楔形K9玻璃;片状楔形K9玻璃的上表面为经精密研磨抛光的镜面表面,其下表面为粗磨加工的沙面表面,且下表面上均匀涂覆有黑色油墨。K9玻璃的分光折射率是已知的,根据该分光折射率,可以依据:Rkn=(Nk-Na)2/(Nk+Na)2计算出测试光束垂直入射时K9玻璃的光谱反射率值Rkn(其中:Nk为K9玻璃的光谱分光折射率,Na为空气折射率)。实际操作时,操作人员查阅可见区主要波长下的K9玻璃反射率表即可清楚得知可见光区指定波长下的K9玻璃反射率Rkn。
下表为可见区主要波长下的K9玻璃在指定波长条件下的反射率:(表中数据来自filmetrics网站)。
波长(nm) 380 400 450 500 550 600 650 700 760
折射率* 1.5336 1.5309 1.5251 1.5215 1.5185 1.5162 1.5144 1.513 1.5115
R<sub>kn</sub>(%) 4.44 4.40 4.32 4.28 4.24 4.21 4.19 4.17 4.15
利用上述测试方法,在本具体实施例中,待测工件取镀制AR膜玻璃,利用可见光反射率测试仪测试其可见光单面反射率。测得En是Ekn的一倍或一倍以下,因此完全采信Ckn的权重,即Wk=1,W1=0;Rn=Ckn*En。根据计算获得镀制AR膜玻璃可见光单面反射率曲线并与柯尼卡-美能达CM2600d分光光度计测试的结果进行比较,其比较结果如图3所示。结果表明,利用本方法测试得到的镀制AR膜玻璃的反射率较CM2600d低0.3-0.4%,类似K9玻璃的测试结果,且重复性良好。。
具体实施例三:
请参阅图1和图4,本发明提供一种全量程物体表面光谱反射率测试方法,该方法包括有以下步骤:
S1:确定归一系数:将100%反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上,测得该基准片的可见光区指定波长测试点的信号强度值E1n,并根据E1n推算出归一系数C1n;
S2:确定归低系数:将低反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上,测得该基准片可见光区指定波长测试点的信号强度值为Ekn,并根据Ekn推算出归低系数Ckn;
S3:测定工件实际的可见光区指定波长测试点的信号强度:将实际待测工件放置在光谱仪载物架上,并测得该实际待测工件可见光区指定波长测试点的信号强度值En;
S4:确定归标系数:定义W1是该指定波长测试点采信C1n的权重,定义Wk为该指定波长测试点采信Ckn的权重,且W1+Wk=1;定义Eul为采信上限,定义Ell为采信下限,且0<Ekn≤Ell<Eul<E1n;如Eul<En<E1n,则完全采信C1n,此时取W1=1,Wk=0;如Ell≤En≤Eul,此时取W1=(En-Ell)/(Eul-Ell),Wk=(Eul-En)/(Eul-Ell);如0<En<Ell;则完全采信Ckn,此时取W1=0,Wk=1;确定W1和Wk的取值后,根据Cn=C1n*W1+Ckn*Wk,计算出归标系数Cn;
S5:计算待测工件指定波长的反射率Rn:利用Rn=En*Cn计算出待测工件指定波长的反射率;
S6:生成光谱反射率曲线:连接所有Rn构成待测工件的光谱反射率曲线Rs。
本发明提供的测试方法不仅适用于高反射率表面的测试,也适用于低反射率表面的测试。测试人员在测试的过程中,首先使用100%反射率标定基准片标定高反射率表面,测定并推算其归一系数;再使用低反射率标定基准片标定低反射率表面,测定并推算其归低系数;测定待测工件的实际可见光区指定波长测试点的信号强度En,判定En的范围,如Eul<En<E1n,则表明En更靠近高反射率物体表面可见光区指定波长测试点的信号强度值E1n,此时完全采信C1n;如Ell≤En≤Eul,则表明En介于高反射率物体表面可见光区指定波长测试点的信号强度值和低反射率物体表面可见光区指定波长测试点的信号强度值之间(介于采信上限与采信下限之间),此时根据En的靠近程度分配采信权重;如0<En<Ell,则表明En更靠近低反射率物体表面可见光区指定波长测试点的信号强度值Ekn,此时完全采信Ckn,进而计算出待测工件指定波长的反射率。
进一步地,采信上限Eul为0.5-1倍E1n,所述采信下限Ell为1-2倍Ekn。申请人需要强调的是,此处提及的采信上限和采信下限为申请人在实际应用过程中的的经验取值,针对不同的被测材质、不同的实验环境及其他影响测试结果的因素决定,是申请人在反复多次实验过程中的经验累积,不同测试实验中有不同取值。
进一步地,S1:确定归一系数:将100%反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上,测得可见光区每个波长的信号强度值E1n,并根据E1n推算出归一系数C1n包括以下子步骤:
S11:选取合适的积分时间,将100%反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上;
S12:在光谱仪程序上读取可见光区指定波长测试点的信号强度值E1n;
S13:由C1n=1/E1n推算出归一系数C1n。
其中,100%反射率标定基准片为全介质材料镀制的可见光区高反膜,其堆层数为60层。由于电介质在可见光区不存在吸收,100%反射率标定标准片满足R1=1-T1(T1为该基准片的透过率)。依据光学薄膜理论设计并采用先进的离子束溅射镀膜技术制备的上述可见区高反射膜在整个可见光区都小于0.1%,因此R1≈1,准确度优于99.9%。选用全介质材料镀制的可见光区高反膜可最大程度减小误差,准确完成100%标定。
进一步地,S2:确定归低系数:将低反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上,测得可见光区指定波长测试点的信号强度值为Ekn,并根据Ekn推算出归低系数Ckn包括以下子步骤:
S21:将低反射率标定基准片放置在光谱仪载物架上;
S22:在光谱仪程序上读取可见光区指定波长的的信号强度值Ekn;
S23:由Ekn*Ckn=Rkn推算出归低系数Ckn。
其中,低反射率标定基准片为片状楔形K9玻璃;片状楔形K9玻璃的上表面为经精密研磨抛光的镜面表面,其下表面为粗磨加工的沙面表面,且下表面上均匀涂覆有黑色油墨。K9玻璃的分光折射率是已知的,根据该分光折射率,可以依据:Rkn=(Nk-Na)2/(Nk+Na)2计算出测试光束垂直入射时K9玻璃的光谱反射率值Rkn(其中:Nk为K9玻璃的光谱分光折射率,Na为空气折射率)。实际操作时,操作人员查阅可见区主要波长下的K9玻璃反射率表即可清楚得知可见光区指定波长下的K9玻璃反射率Rkn。
下表为可见区主要波长下的K9玻璃在指定波长条件下的反射率:(表中数据来自filmetrics网站)。
波长(nm) 380 400 450 500 550 600 650 700 760
折射率* 1.5336 1.5309 1.5251 1.5215 1.5185 1.5162 1.5144 1.513 1.5115
R<sub>kn</sub>(%) 4.44 4.40 4.32 4.28 4.24 4.21 4.19 4.17 4.15
利用上述测试方法,在本具体实施例中,待测工件取黑色陶瓷盖板,利用可见光反射率测试仪测试其可见光单面反射率,测得En是Ekn的一倍或一倍以上且是E1n的50%或50%以下,因此取W1=(En-Ekn)/(0.5E1n-Ekn);Wk=(En-0.5E1n)/(0.5E1n-Ekn);进一步地,由公式Cn=C1n*W1+Ckn*Wk,计算出这个波长点的归标系数Cn。进一步计算Rn的:Rn=En*Cn;再将所有波长位置Rn的连线即构成了样品的光谱反射率曲线Rs。
根据计算获得黑色陶瓷盖板可见光反射率曲线并与柯尼卡-美能达CM2600d分光光度计测试的结果进行比较,其比较结果如图4所示。结果表明,三海方式检测的反射率较CM2600d低0.1-0.2%,类似K9玻璃的测试结果,且重复性良好。
具体实施例四:
请参阅图1和图5,本发明提供一种全量程物体表面光谱反射率测试方法,该方法包括有以下步骤:
S1:确定归一系数:将100%反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上,测得该基准片的可见光区指定波长测试点的信号强度值E1n,并根据E1n推算出归一系数C1n;
S2:确定归低系数:将低反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上,测得该基准片可见光区指定波长测试点的信号强度值为Ekn,并根据Ekn推算出归低系数Ckn;
S3:测定工件实际的可见光区指定波长测试点的信号强度:将实际待测工件放置在光谱仪载物架上,并测得该实际待测工件可见光区指定波长测试点的信号强度值En;
S4:确定归标系数:定义W1是该指定波长测试点采信C1n的权重,定义Wk为该指定波长测试点采信Ckn的权重,且W1+Wk=1;定义Eul为采信上限,定义Ell为采信下限,且0<Ekn≤Ell<Eul<E1n;如Eul<En<E1n,则完全采信C1n,此时取W1=1,Wk=0;如Ell≤En≤Eul,此时取W1=(En-Ell)/(Eul-Ell),Wk=(Eul-En)/(Eul-Ell);如0<En<Ell;则完全采信Ckn,此时取W1=0,Wk=1;确定W1和Wk的取值后,根据Cn=C1n*W1+Ckn*Wk,计算出归标系数Cn;
S5:计算待测工件指定波长的反射率Rn:利用Rn=En*Cn计算出待测工件指定波长的反射率;
S6:生成光谱反射率曲线:连接所有Rn构成待测工件的光谱反射率曲线Rs。
本发明提供的测试方法不仅适用于高反射率表面的测试,也适用于低反射率表面的测试。测试人员在测试的过程中,首先使用100%反射率标定基准片标定高反射率表面,测定并推算其归一系数;再使用低反射率标定基准片标定低反射率表面,测定并推算其归低系数;测定待测工件的实际可见光区指定波长测试点的信号强度En,判定En的范围,如Eul<En<E1n,则表明En更靠近高反射率物体表面可见光区指定波长测试点的信号强度值E1n,此时完全采信C1n;如Ell≤En≤Eul,则表明En介于高反射率物体表面可见光区指定波长测试点的信号强度值和低反射率物体表面可见光区指定波长测试点的信号强度值之间(介于采信上限与采信下限之间),此时根据En的靠近程度分配采信权重;如0<En<Ell,则表明En更靠近低反射率物体表面可见光区指定波长测试点的信号强度值Ekn,此时完全采信Ckn,进而计算出待测工件指定波长的反射率。
进一步地,采信上限Eul为0.5-1倍E1n,所述采信下限Ell为1-2倍Ekn。申请人需要强调的是,此处提及的采信上限和采信下限为申请人在实际应用过程中的的经验取值,针对不同的被测材质、不同的实验环境及其他影响测试结果的因素决定,是申请人在反复多次实验过程中的经验累积,不同测试实验中有不同取值。
进一步地,S1:确定归一系数:将100%反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上,测得可见光区每个波长的信号强度值E1n,并根据E1n推算出归一系数C1n包括以下子步骤:
S11:选取合适的积分时间,将100%反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上;
S12:在光谱仪程序上读取可见光区指定波长测试点的信号强度值E1n;
S13:由C1n=1/E1n推算出归一系数C1n。
其中,100%反射率标定基准片为全介质材料镀制的可见光区高反膜,其堆层数为60层。由于电介质在可见光区不存在吸收,100%反射率标定标准片满足R1=1-T1(T1为该基准片的透过率)。依据光学薄膜理论设计并采用先进的离子束溅射镀膜技术制备的上述可见区高反射膜在整个可见光区都小于0.1%,因此R1≈1,准确度优于99.9%。选用全介质材料镀制的可见光区高反膜可最大程度减小误差,准确完成100%标定。
进一步地,S2:确定归低系数:将低反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上,测得可见光区指定波长测试点的信号强度值为Ekn,并根据Ekn推算出归低系数Ckn包括以下子步骤:
S21:将低反射率标定基准片放置在光谱仪载物架上;
S22:在光谱仪程序上读取可见光区指定波长的的信号强度值Ekn;
S23:由Ekn*Ckn=Rkn推算出归低系数Ckn。
其中,低反射率标定基准片为片状楔形K9玻璃;片状楔形K9玻璃的上表面为经精密研磨抛光的镜面表面,其下表面为粗磨加工的沙面表面,且下表面上均匀涂覆有黑色油墨。K9玻璃的分光折射率是已知的,根据该分光折射率,可以依据:Rkn=(Nk-Na)2/(Nk+Na)2计算出测试光束垂直入射时K9玻璃的光谱反射率值Rkn(其中:Nk为K9玻璃的光谱分光折射率,Na为空气折射率)。实际操作时,操作人员查阅可见区主要波长下的K9玻璃反射率表即可清楚得知可见光区指定波长下的K9玻璃反射率Rkn。
下表为可见区主要波长下的K9玻璃在指定波长条件下的反射率:(表中数据来自filmetrics网站)。
波长(nm) 380 400 450 500 550 600 650 700 760
折射率* 1.5336 1.5309 1.5251 1.5215 1.5185 1.5162 1.5144 1.513 1.5115
R<sub>kn</sub>(%) 4.44 4.40 4.32 4.28 4.24 4.21 4.19 4.17 4.15
利用上述测试方法,在本具体实施例中,待测工件取全介质高标样品,利用可见光反射率测试仪测试其可见光单面反射率。测得En是E1n的50%或50%以上,因此完全采信C1n的权重,即Wk=0,W1=1;Rn=C1n*En。根据计算获得全介质高标样品可见光单面反射率曲线并与柯尼卡-美能达CM2600d分光光度计测试的结果进行比较,其比较结果如图5所示。结果表明,三海方式检测的反射率较CM2600d更接近100%,且重复性很好,CM2600d的测试结果稍高于100%,在误差允许范围内。
本发明的优势在于:相比于现有技术,在本发明提供的测试方法在应用过程中,测试人员实现利用基准标定片确定归一系数和归低系数,测得实际待测工件的可见光区指定波长测试点的信号强度En后,根据En的落入范围确定赋予C1n和Ckn的采信权重,最终推算出待测工件指定波长的反射率Rn。整个过程测试数据误差小,适用全量程,操作方便快捷。
以上仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种全量程物体表面光谱反射率测试方法,其特征在于,该方法包括有以下步骤:
S1:确定归一系数:将100%反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上,测得该基准片的可见光区指定波长测试点的信号强度值E1n,并根据E1n推算出归一系数C1n;
S2:确定归低系数:将低反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上,测得该基准片可见光区指定波长测试点的信号强度值为Ekn,并根据Ekn推算出归低系数Ckn;
S3:测定工件实际的可见光区指定波长测试点的信号强度:将实际待测工件放置在光谱仪载物架上,并测得该实际待测工件可见光区指定波长测试点的信号强度值En;
S4:确定归标系数:定义W1是该指定波长测试点采信C1n的权重,定义Wk为该指定波长测试点采信Ckn的权重,且W1+Wk=1;定义Eul为采信上限,定义Ell为采信下限,且0<Ekn≤Ell<Eul<E1n;如Eul<En<E1n,则完全采信C1n,此时取W1=1,Wk=0;如Ell≤En≤Eul,此时取W1=(En-Ell)/(Eul-Ell),Wk=(Eul-En)/(Eul-Ell);如0<En<Ell;则完全采信Ckn,此时取W1=0,Wk=1;确定W1和Wk的取值后,根据Cn=C1n*W1+Ckn*Wk,计算出归标系数Cn;
S5:计算待测工件指定波长的反射率Rn:利用Rn=En*Cn计算出待测工件指定波长的反射率;
S6:生成光谱反射率曲线:连接所有Rn构成待测工件的光谱反射率曲线Rs。
2.如权利要求1所述的全量程物体表面光谱反射率测试方法,其特征在于,所述采信上限Eul为0.5-1倍E1n,所述采信下限Ell为1-2倍Ekn。
3.如权利要求1所述的全量程物体表面光谱反射率测试方法,其特征在于,所述S1:确定归一系数:将100%反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上,测得可见光区每个波长的信号强度值E1n,并根据E1n推算出归一系数C1n包括以下子步骤:
S11:选取合适的积分时间,将100%反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上;
S12:在光谱仪程序上读取可见光区指定波长测试点的信号强度值E1n;
S13:由C1n=1/E1n推算出归一系数C1n。
4.如权利要求2所述的全量程物体表面光谱反射率测试方法,其特征在于,所述100%反射率标定基准片为全介质材料镀制的可见光区高反膜,其堆层数为60层。
5.如权利要求1所述的全量程物体表面光谱反射率测试方法,其特征在于,所述S2:确定归低系数:将低反射率标定基准片放置在光谱仪的载物架上,测得可见光区指定波长测试点的信号强度值为Ekn,并根据Ekn推算出归低系数Ckn包括以下子步骤:
S21:将低反射率标定基准片放置在光谱仪载物架上;
S22:在光谱仪程序上读取可见光区指定波长的的信号强度值Ekn;
S23:由Ekn*Ckn=Rkn推算出归低系数Ckn。
6.如权利要求4所述的全量程物体表面光谱反射率测试方法,其特征在于,所述低反射率标定基准片为片状楔形K9玻璃;所述片状楔形K9玻璃的上表面为经精密研磨抛光的镜面表面,其下表面为粗磨加工的沙面表面,且下表面上均匀涂覆有黑色油墨。
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