CN109490253B - 一种新型模拟自然光双向反射分布函数测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型模拟自然光双向反射分布函数测试装置，包括：测试光源、测试室和信号处理系统；测试光源包括卤素灯光源和可见光超连续谱激光光源，卤素灯光源经准直后的光束、可见光超连续谱激光光源的激光束经多层介质膜光栅后合为一合束光；合束光入射至测试室内的待测样品上，经待测样品散射后，散射光信号被测试室内的光电探测器接收，光电探测器输出信号至信号处理系统进行处理，得到待测样品的双向反射分布函数。本发明可选择被样品吸收率较低的卤素灯光源或可见光超连续谱激光光源作为测试光源，降低光学系统误差；可见光超连续谱激光光源在测试时可直接照射到待测样品上，无需进行准直，入射光照度光学系统误差和测量值误差较小。

Description

一种新型模拟自然光双向反射分布函数测试装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种新型模拟自然光双向反射分布函数测试装置。

背景技术

双向反射分布函数(BRDF)是由美国学者Nicodemus于1970年提出，它表示了不同入射条件下物体表面在任意反射角的反射特性，如图1所示。双向反射分布函数是描述材料漫反射特性的重要函数，它是光辐射的反射幅亮度和入射辐照度的比值；BRDF用于测光照，而光照计算的时候是按照测试光源的发光功率来计算的；其数学表达式为：

其中θ_i,

为入射光的入射角和方位角，θ_r,

为反射光的反射角和方位角。L_r是测试面元dA经过照射后在θ_r,

方向上的辐亮度；E_i是θ_i,

方向上入射光产生的表面辐照度。f_r是沿着方向θ_r,

出射的辐照亮度和与沿着入射方向θ_i,

入射在被测样品表面产生的辐射照度之比，双向反射分布函数是入射角θ_i,

反射角θ_r,

和波长λ的函数，它由样品表面粗糙度、介电常数、照射波长、偏振等因素决定。可见，测量样品表面的双向反射分布函数可以将入射到测试样品表面的背景幅照度与样品对背景辐射的漫反射亮度联系起来，进而可以用来分析目标的光反射特性。

目前常用的BRDF测量装置的测试光源多采用准直的可见光光源，使用可见光光源目的是模拟太阳光照射下物体的BRDF，该类可见光光源一般采用卤素灯、LED灯等可见光波段自然光光源，由于该类光源发光面较大，光束发散，须经过聚焦准直系统后方可用于测试样品。

采用准直的光源作为BRDF测试装置的测试光源存在以下问题：

1、测试样品对入射光某些波长光谱的吸收率较高以及准直光路中光学元件对光的反射、衍射等引起光亮度损耗，导致有系统误差；

2、测量过程中由于LED灯或者卤素灯具有发散性，即使经过准直依然会有少量杂散光无法照射到待测物体表面，导致有测量误差；

3、引入的系统测量和测量误差导致BRDF误差较大；

4、聚焦准直难度操作难度大。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种新型模拟自然光双向反射分布函数测试装置。

本发明公开了一种新型模拟自然光双向反射分布函数测试装置，包括：测试光源、测试室和信号处理系统；

所述测试光源包括卤素灯光源和可见光超连续谱激光光源，所述卤素灯光源经准直后的光束、所述可见光超连续谱激光光源的激光束经多层介质膜光栅后合为一合束光；

所述合束光入射至所述测试室内的待测样品上，经所述待测样品散射后，散射光信号被所述测试室内的光电探测器接收，所述光电探测器输出信号至所述信号处理系统进行处理，得到所述待测样品的双向反射分布函数。

作为本发明的进一步改进，所述卤素灯光源的光路上设有光学准直系统，所述光学准直系统对所述卤素灯光源的光束准直后，入射至所述多层介质膜光栅上；

所述可见光超连续谱激光光源的激光束无需准直，直接入射至所述多层介质膜光栅上。

作为本发明的进一步改进，所述可见光超连续谱激光光源采用全光纤结构，输出单模激光，波长范围是400～1700nm。

作为本发明的进一步改进，所述测试室为半球型测试暗室；

所述半球型测试暗室的顶部相对应所述合束光设有通光孔；

所述半球型测试暗室的内球面上紧密排布有多个所述光电探测器，所有所述光电探测器与所述信号处理系统相连；

所述半球型测试暗室内设有四维工作转台，所述待测样品通过样品支撑部件安装在所述四维工作转台上，所述四维工作转台带动所述待测样品水平面旋转和垂直面旋转。

作为本发明的进一步改进，所述半球型测试暗室安装在底托上构成封闭的半球腔体。

作为本发明的进一步改进，所述四维工作转台带动所述待测样品水平面360°旋转和垂直面180°俯仰。

作为本发明的进一步改进，所述测试室包括：六轴机械手；

所述六轴机械手上安装有样品支撑部件，所述样品支撑部件上夹持有所述待测样品；所述六轴机械手一侧设有在垂直面内作±180°转动的探头旋转单元，所述探头旋转单元上安装有所述光电探测器，所述光电探测器指向样品中心位置，所述光电探测器与所述信号处理系统相连。

作为本发明的进一步改进，所述信号处理系统包括：前置放大器、锁相位放大器和计算机；

所有所述光电探测器均与所述前置放大器相连，所述前置放大器与所述锁相位放大器相连，所述锁相位放大器与所述计算机相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明使用两种可见光光源，一种为卤素灯光源，一种为可见光超连续谱激光光源，两种可见光光源可以独立进行测试，也可以同时测试；两种可见光光源的光谱强度分布不同，由于不同待测样品材料对光谱的吸收率不同，可以根据样品材料对光谱的吸收率不同选择不同的测试光源，例如某样品的对650nm的波长吸收率较高；因此可以选择在650nm处光强值低的可见光超连续谱激光光源作为测试光源；从而，通过测试光源的选择，降低光学系统误差；

本发明的可见光超连续谱激光光源在测试时可直接照射到待测样品上，无需光学准直系统对光路进行准直，入射光照度光学系统误差和测量值误差较小。

附图说明

图1为现有双向反射分布函数的测试原理图；

图2为本发明一种实施例公开的新型模拟自然光双向反射分布函数测试装置的结构示意图；

图3为本发明一种实施例公开的卤素灯光源的光谱图；

图4为本发明一种实施例公开的可见光超连续谱激光光源的光谱图。

图中：

1、卤素灯光源；2、可见光超连续谱激光光源；3、光学准直系统；4、多层介质膜光栅；5、半球型测试暗室；6、光电探测器；7、样品支撑部件；8、四维工作转台；9、前置放大器；10、锁相位放大器；11、计算机；12、底托；13、待测样品。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

基于图1所示的双向反射分布函数的测试原理，本发明建立了一种新型模拟自然光双向反射分布函数测试装置，含有两种可见光光源，一种为卤素灯光源，一种为可见光超连续谱激光光源，两种光源可以独立进行测试，也可以同时测试，尤其是可见光超连续谱激光光源采用全光纤结构，光束质量为单模光输出，在BRDF测试装置中进行测试时可直接照射到样品上，无需进行准直，入射光照度测量值误差较小。具体为：

本发明提供一种新型模拟自然光双向反射分布函数测试装置，包括：测试光源、测试室和信号处理系统；测试光源包括卤素灯光源和可见光超连续谱激光光源，卤素灯光源经准直后的光束、可见光超连续谱激光光源的激光束经多层介质膜光栅后合为一合束光；合束光入射至测试室内的待测样品上，经待测样品散射后，散射光信号被测试室内的光电探测器接收，光电探测器输出信号至信号处理系统进行处理，得到待测样品的双向反射分布函数。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

实施例1：

如图2所示，本发明提供一种新型模拟自然光双向反射分布函数测试装置，包括：测试光源、测试室和信号处理系统；其中：

本发明的测试光源包括卤素灯光源1和可见光超连续谱激光光源2，卤素灯光源1的光谱如图3所示，可见光超连续谱激光光源4的光谱如图4所示；述卤素灯光源1的光路上设有光学准直系统3，光学准直系统3对卤素灯光源1的光束准直后，入射至多层介质膜光栅4上；可见光超连续谱激光光源2采用全光纤结构，输出单模激光，波长范围是400～1700nm；可见光超连续谱激光光源2的激光束无需准直，直接入射至多层介质膜光栅上。使用时，卤素灯光源1经准直后的光束、可见光超连续谱激光光源2的激光束经多层介质膜光栅4后合为一合束光，合束光入射至测试室内。

本发明的测试室为半球型测试暗室5，半球型测试暗室5扣在底托12上构成封闭的半球腔体，半球型测试暗室5与底托12固定安装。本发明在半球型测试暗室5的顶部设有通光孔，合束光经通光孔入射至半球型测试暗室5内，作为待测样品13的入射光。

本发明在半球型测试暗室5的内球面上紧密排布有多个光电探测器6，光电探测器6与半球型测试暗室5固定安装；所有光电探测器6的探测区域可在同一时间覆盖半球型测试暗室5的半球面，待测样品13的散射光定会被光电探测器6所检测到，尤其是对大尺寸粗糙表面样品进行测试时，不会导致漏测、少测等测试不准的现象发生。

本发明的光电探测器6与信号处理系统相连，信号处理系统包括前置放大器9、锁相位放大器10和计算机11；所有光电探测器6均与前置放大器9相连，前置放大器9与锁相位放大器10相连，锁相位放大器10与计算机11相连；使用时，光电探测器6的输出信号经前置放大器9和锁相放大器10放大后输入计算机11，经计算机11的处理得到待测样品的双向反射分布函数。

本发明的四维工作转台8置于半球型测试暗室5内的底托12上，待测样品13通过样品支撑部件7安装在四维工作转台8上，样品支撑部件7为常规的样品夹具，用于夹持待测样品；样品支撑部件7可通过紧固件安装在四维工作转台8上；四维工作转台8的作用是：带动待测样品13水平面旋转和垂直面旋转；具体可实现待测样品水平面360°旋转和垂直面180°俯仰，即四维工作转台8包括水平转台部和俯仰转台部，待测样品安装在俯仰转台部上，俯仰转台部安装在水平转台部上，水平转台部置于底托上，水平转台部可带动待测样品和俯仰转台部在水平面上实现360°的旋转，俯仰转台部可带动待测样品实现垂直面上180°的俯仰。上述可实现上述功能的样品支撑部件7和四维工作转台8的结构及连接关系均为现有常规结构，故在此不对其做详细阐述。

本发明测试装置的测试方法为：

步骤1、打开测试光源中的卤素灯光源1，调节光路准直或者打开测试光源中的可见光超连续谱激光光源2，或者同时打开；

步骤2、进行标定测试，调整四维工作转台8，使标准白板(即朗伯面)处于四维工作转台8的中心轴位置；

步骤3、通过电源给光电探测器6加电压，同时配合入射光功率的调整，选取合适的信号读数，进行光亮度及照度的标定；

步骤4、采用对入射光波长反射率99％的反射镜对系统的反射角精度进行标定；

步骤5、待步骤3、步骤4标定过程的测试数据在5‰的变化范围内，进行下一步实验；

步骤6、将待测样品13置于样品支撑部件7上，打开测试光源，并调整待测样品角度，使得准直后的光束能够照射到待测样品13表面；

步骤7、入射角固定，四维工作转台8带动待测样品13水平面旋转360°，逐渐改变待测样品和入射光的方位角，通过光电探测器6、前置放大器9、锁相放大器10将光信号及位置信息转化为电信号由计算机11自动记录反射光亮度、反射角、方位角信息；

步骤8、调整四维工作转台8姿势，改变入射角，重复步骤7，测试另一入射角度下的双向反射分布函数；

步骤9：入射角测试范围为0-90°，可每间隔一定度数测试一组，间隔度数可根据实际测试需要进行选择。

实施例2：

本发明提供一种新型模拟自然光双向反射分布函数测试装置，该测试装置除采用上述的测试室外，还可采用如现有申请号为：201210075733.2，专利名称为：一种新型双向反射分布函数测量装置的测试室上；而测试光源和信号处理系统与实施例1中的结构及功能一致。

具体为：

测试室包括：六轴机械手；六轴机械手上安装有样品支撑部件，样品支撑部件上夹持有待测样品；六轴机械手一侧设有在垂直面内作±180°转动的探头旋转单元，探头旋转单元上安装有光电探测器，光电探测器指向样品中心位置，光电探测器与信号处理系统相连。

操作六轴机械手，通过改变被照明样品法线指向及方位角和转动探头旋转单元的方式，并保持样品的中心坐标不变，进行双向反射分布函数测量。

本发明使用两种可见光光源，一种为卤素灯光源，一种为可见光超连续谱激光光源，两种可见光光源可以独立进行测试，也可以同时测试；两种可见光光源的光谱强度分布不同，由于不同待测样品材料对光谱的吸收率不同，可以根据样品材料对光谱的吸收率不同选择不同的测试光源，例如某样品的对650nm的波长吸收率较高；因此可以选择在650nm处光强值低的可见光超连续谱激光光源作为测试光源；本发明的可见光超连续谱激光光源在测试时可直接照射到待测样品上，无需进行准直，入射光照度光学系统误差和测量值误差较小。

本发明的优点为：

1、本发明能够在短时间内自动完成表面双向反射分布测量；

2、本发明误差引入较小；

3、本发明能实现包括后向散射在内的整个半球空间内双向反射分布的精确测量；

4、本发明可在线精准测量较大粗糙目标表面。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种新型模拟自然光双向反射分布函数测试装置，其特征在于，包括：测试光源、测试室和信号处理系统；

所述测试光源包括卤素灯光源和可见光超连续谱激光光源，所述卤素灯光源经准直后的光束、所述可见光超连续谱激光光源的激光束经多层介质膜光栅后合为一合束光；

所述合束光入射至所述测试室内的待测样品上，经所述待测样品散射后，散射光信号被所述测试室内的光电探测器接收，所述光电探测器输出信号至所述信号处理系统进行处理，得到所述待测样品的双向反射分布函数。

2.如权利要求1所述的新型模拟自然光双向反射分布函数测试装置，其特征在于，所述卤素灯光源的光路上设有光学准直系统，所述光学准直系统对所述卤素灯光源的光束准直后，入射至所述多层介质膜光栅上；

所述可见光超连续谱激光光源的激光束无需准直，直接入射至所述多层介质膜光栅上。

3.如权利要求1所述的新型模拟自然光双向反射分布函数测试装置，其特征在于，所述可见光超连续谱激光光源采用全光纤结构，输出单模激光，波长范围是400～1700nm。

4.如权利要求1所述的新型模拟自然光双向反射分布函数测试装置，其特征在于，所述测试室为半球型测试暗室；

所述半球型测试暗室的顶部相对应所述合束光设有通光孔；

所述半球型测试暗室的内球面上紧密排布有多个所述光电探测器，所有所述光电探测器与所述信号处理系统相连；

所述半球型测试暗室内设有四维工作转台，所述待测样品通过样品支撑部件安装在所述四维工作转台上，所述四维工作转台带动所述待测样品水平面旋转和垂直面旋转。

5.如权利要求4所述的新型模拟自然光双向反射分布函数测试装置，其特征在于，所述半球型测试暗室安装在底托上构成封闭的半球腔体。

6.如权利要求4所述的新型模拟自然光双向反射分布函数测试装置，其特征在于，所述四维工作转台带动所述待测样品水平面360°旋转和垂直面180°俯仰。

7.如权利要求1所述的新型模拟自然光双向反射分布函数测试装置，其特征在于，所述测试室包括：六轴机械手；

所述六轴机械手上安装有样品支撑部件，所述样品支撑部件上夹持有所述待测样品；所述六轴机械手一侧设有在垂直面内作±180°转动的探头旋转单元，所述探头旋转单元上安装有所述光电探测器，所述光电探测器指向样品中心位置，所述光电探测器与所述信号处理系统相连。

8.如权利要求1所述的新型模拟自然光双向反射分布函数测试装置，其特征在于，所述信号处理系统包括：前置放大器、锁相位放大器和计算机；

所有所述光电探测器均与所述前置放大器相连，所述前置放大器与所述锁相位放大器相连，所述锁相位放大器与所述计算机相连。

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