CN109632717A

CN109632717A - 漫反射率检测装置与方法

Info

Publication number: CN109632717A
Application number: CN201811640678.0A
Authority: CN
Inventors: 杨子荣; 黄杰凡
Original assignee: Shenzhen Orbbec Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Orbbec Co Ltd
Priority date: 2018-12-29
Filing date: 2018-12-29
Publication date: 2019-04-16

Abstract

本发明提出一种漫反射率检测装置与方法，其装置包括：单色光产生器，用于产生单色光，并将所述单色光投射到漫反射平面上；漫反射平面，包含已知漫反射率的漫反射平面和待检测的漫反射平面，用于接收所述单色光产生器产生的单色光，并产生漫反射光束；积分球，用于对所述漫反射光束进行多次反射，使得所述漫反射光束的能量均匀化；光接收器，用于测量经所述积分球多次反射后的漫反射光束的信号值。本发明的漫反射率检测装置与方法，通过积分球法实现了对漫反射平面漫反射率的准确检测。

Description

漫反射率检测装置与方法

技术领域

本发明涉及光学设备领域，特别涉及一种漫反射率检测装置与方法。

背景技术

材料表面反射率作为表征材料辐射特性的物理量，是非常重要的参数。目前市面上销售的反射率测定仪的测定对象主要为平面或者球面等，其本质为镜面反射原理，现有仪器包括奥林巴斯USPM系列，岛津UV系列，大塚等仪器等，均使用了镜面反射原理技术。

而对于一些表面比较粗糙的材质，当光投射到其表面时，发生的反射为漫反射，对于漫反射平面，漫反射后的光束在各个方向都有能量分布，因此，从原理看，现有仪器对漫反射平面的漫反射率检测均无法得到相对准确的数值。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中对漫反射平面的漫反射率检测不精准的问题，提出一种漫反射率检测装置与方法。

本发明的漫反射率检测装置，包括：单色光产生器，用于产生单色光，并将所述单色光投射到漫反射平面上；漫反射平面，包含已知漫反射率的漫反射平面和待检测的漫反射平面，用于接收所述单色光产生器产生的单色光，并产生漫反射光束；积分球，用于对所述漫反射光束进行多次反射，使得所述漫反射光束的能量均匀化；光接收器，用于测量经所述积分球多次反射后的漫反射光束的信号值。

在优选的实施方式中，所述积分球上开设有第一窗口、第二窗口和第三窗口；所述单色光产生器的光束出射口对准放置在所述第一窗口处、所述光接收器的光束接收口对准放置在所述第二窗口处、所述漫反射平面对准放置在所述第三窗口处。更优选地，所述漫反射平面的面积不小于所述第三窗口的孔径值。

在优选的实施方式中，所述单色光产生器为激光器、单色仪或分光光度计。在优选的实施方式中，所述光接收器为功率计或者光电二极管。

在优选的实施方式中，所述单色光产生器为光栅单色光产生装置，从光的发射方向依次包括光源、光栅、第一透镜、狭缝、第二透镜、光纤和第三透镜；所述光栅单色光产生装置还包括转动台，用于转动所述光栅，使得不同波长的单色光能够投射到漫反射平面上。更优选地，所述光栅为大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学元件，包含平面光栅和/或凹面光栅。

本发明还提出一种上面任一所述的漫反射率检测装置的漫反射率检测方法，包括以下步骤：S1：控制所述单色光产生器使其产生的单色光投射到已知漫反射率为R₀的平面上产生漫反射光束，并记录所述光接收器测得光信号值V₀；S2：计算参比值K＝R₀/V₀；S3：控制所述单色光产生器使其产生的单色光投射到待检测平面上产生漫反射光束，并记录所述光接收器测得光信号值V_x；S4：根据V_x/R_x＝V₀/R₀，计算得到待测平面的漫反射率R_x＝K·V_x。

在优选的实施方式中，所述单色光产生器为光栅单色光产生装置，所述光栅单色光产生装置从光的发射方向依次包括光源、光栅、第一透镜、狭缝、第二透镜、光纤和第三透镜；所述光栅单色光产生装置还包括转动台，用于转动所述光栅，使得不同波长的单色光能够投射到漫反射平面上；所述漫反射率检测方法包括以下步骤：T1：控制所述转动台对所述光栅进行转动，使不同的单色光投射到已知漫反射率为R_{0,N(N＝1，2，3...)}的漫反射平面，并且记录所述光接收器测得的相应信号值V_{0,N(N＝1,2,3...)}；T2：对每一种单色光，计算相应的参比值K_{N(N＝1,2,3...)}＝R_{0,N(N＝1,2,3...)}/V_{0,N(N＝1,2,3...)}；T3：控制所述转动台对所述光栅进行转动，使不同的单色光投射到待测平面，并且记录所述光接收器测得的相应信号值V_{x,N(N＝1,2,3...)}；T4：根据V_x/R_x＝V₀/R₀，计算得到待测平面对不同单色光的漫反射率R_{x,N(N＝1,2,3...)}＝K_{N(N＝1,2,3...)}·V_{x,N(N＝1,2,3...)}；其中，所述每一种单色光对应一个N值。

在优选的实施方式中，在所述步骤T1之前还包括以下步骤：T0：对所述光栅的衍射光谱进行测试并标定；所述光源发出一束或多束复色光到所述光栅产生衍射光束，所述衍射光束通过所述第一透镜后，通过光谱仪测试得到所述光栅的衍射光谱，然后对出射的特征光间距进行标定，根据标定结果设置所述转动台，使得通过控制所述转动台对所述光栅进行转动时，每种特征光都能够精确地投射到所述漫反射平面上。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

本发明的漫反射率检测装置与方法，通过积分球法实现了对漫反射平面漫反射率的准确检测。

在优选的实施方式中，通过光栅单色光装置与积分球漫反射率检测装置结合，实现了对同一平面在不同单色光入射时的漫反射率检测，达到了在同一装置进行多漫反射率结果检测的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1是本发明一个实施例中漫反射率检测装置的结构示意图。

图2是本发明一个实施例漫反射率检测方法的步骤流程示意图。

图3是本发明一个实施例中光栅单色光产生装置的结构示意图。

图4是本发明另一个实施例中漫反射率检测装置的结构示意图。

图5是本发明另一个实施例漫反射率检测方法的步骤流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施例对本发明进行详细的介绍，以使更好的理解本发明，但下述实施例并不限制本发明范围。另外，需要说明的是，下述实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构思，附图中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形状、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

图1为根据本发明一个实施例的漫反射率检测装置结构示意图。装置10包括积分球101、单色光产生器102、光接收器103和漫反射平面104；其中，积分球101包含3个窗口，分别为第一窗口107、第二窗口108和第三窗口109，其中，第一窗口107为入光窗口，第二窗口108为光接收窗口，第三窗口109为放置漫反射平面的窗口；漫反射平面104包含已知漫反射率的漫反射平面和待检测的漫反射平面。单色光产生器102的光束出射口对准放置在第一窗口107处、光接收器103的光束接收口对准放置在第二窗口108处、漫反射平面104对准放置在窗口109处，单色光产生器102将单色光105投射到漫反射平面104产生漫反射光束106，漫反射光束106在积分球101内部经过多次反射后进入光接收器103，接收器103测得相应信号值，根据测试的信号值和参比值计算待测平面的漫反射率。

本发明实施例包含的检测方法包含，如图2所示，首先，如步骤S201，将已知漫反射率的平面放置在第三窗口109处；然后，如步骤S202，控制单色光产生器102使其产生单色光105投射到已知漫反射率(漫反射率记为R₀)的平面104处产生漫反射光束106，并记录光接收器103测得的光信号值V₀；然后，如步骤S203，计算参比值K＝R₀/V₀；然后，如步骤S204，将待测漫反射率R_x的平面放置在第三窗口109处；然后，如步骤S205，控制单色光产生器102使其产生单色光105投射到待测漫反射率(漫反射率记为R_x)的平面104处产生漫反射光束106，并记录光接收器103测得的光信号值V_x；最后，如步骤S206，根据V_x/R_x＝V₀/R₀，得到待测漫反射率的平面的漫反射率R_x＝K·V_x，由此计算出待测平面104的漫反射率。

在一些实施例中，积分球101为一个内壁涂有白色漫反射材料的空腔球体，常用的材料是氧化镁或硫酸钡，将它和胶质粘合剂混合均匀后喷涂在内壁上；氧化镁涂层在可见光谱范围内的光谱反射系数接近于1，使得进入积分球101的光经过内壁涂层多次反射后在内壁上形成均匀照度；对于漫反射平面104，入射光束投射到其表面时将发生漫反射，光束在各个方向都有能量分布，因此，对漫反射平面104的测量采用积分球法，将漫反射光束经过多次反射后使其能量均匀化再进行测量；此外，积分球101设有三个窗口，第一窗口107、第二窗口108和第三窗口109，依次分别为入光窗口、光接收窗口和放置漫反射平面的窗口，为获得较高的测量准确度，积分球101的开孔比应尽可能小，防止外界光束的干扰以及使内部漫反射光束能量达到最大均匀化。

在一些实施例中，单色光产生器102可以为激光器、单色仪、分光光度计等；其中，激光器为一种可以产生光质量纯净、光谱稳定的单色光的器件，每种激光器产生特定波长的激光，激光器包含红宝石激光、氦氖激光器、激光二极管等。单色仪为一种产生单色光的仪器，主要有棱镜单色仪和光栅单色仪；其中，光栅单色仪的应用较为普遍，其原理为：当一束复合光线进入单色仪的入射狭缝，通过光学准直镜将入射光汇聚成平行光，再通过衍射光栅色散为分开的单色波(单色波具有特定波长)，利用每个波长离开光栅的角度不同，再由聚焦反射镜成像得到一系列特征光，最后在出射狭缝中将得到一束单色光。分光光度计为一种光谱仪，采用一个可以产生多个波长的光源，通过系列分光装置，从而产生特定波长的光源。

在一些实施例中，光接收器103可以为功率计、光电二极管等；功率计由功率传感器和功率指示器两部分组成，可以对接收到的光束直接测量光功率；光电二极管为一种将光信号转换为电信号的光电传感器件，当光接收器103为光电二极管时，外侧需连接检测电路将光信号转换为电流或者电压信号进行测试，可以通过示波器或者计算机进行测试。

在一些实施例中，漫反射平面104的面积不小于窗口109的孔径值，并对准放置在窗口109处，在一些具体实施例中，漫反射平面104外侧还设置有遮光罩，防止外界光束的干扰，提高检测的准确率。

图3为根据本发明实施例的一种光栅单色光产生装置示意图。装置30包含光源301、光栅302、第一透镜303、固定架304、转动台305、狭缝306、第二透镜311、光纤307、第三透镜312和镜架308。光源301发出复色光到光栅302衍射出不同角度的单色光，通过透镜303会聚成像后得到不同特征光束，通过转动台305对光栅302转动，从狭缝306中将会依次出现从短波到长波的单色光309，再经过第二透镜311准直、会聚后，通过光纤307传输至第三透镜312进行再会聚得到出射光束310。

在一些实施例中，光源301可以为普通的白炽灯、卤钨灯、气体灯泡等，用于产生包含不同波段的复色光；光栅302为大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学元件，包含平面光栅和/或凹面光栅。

根据光栅衍射方程对光栅衍射原理进行简单说明，d(sinα+sinβ)＝mλ，d为光栅中每一狭缝的间距、α为光束入射角、β为光束出射角、λ为出射角为β的光束的波长、m为相应衍射级次，可以得知，光栅302可以将入射的复色光衍射为不同角度的具有不同波长的单色光。

需要说明的是，在使用装置30产生单色光时需事先对光栅302的衍射光谱进行测试并标定，具体实施方式包含，光源301发出一束或多束复色光到光栅302，衍射光束通过透镜303后，使用光谱仪进行测试得到光栅302的衍射光谱，对出射的特征光间距进行标定，如，相邻特征光间的角度或间距；转动台305再根据标定结果对光栅302进行转动，使每种特征光能够精确地投射到狭缝306中。需要说明的是，在本实施例中，转动台305主要是在转动光栅302，由于光源301、透镜303与光栅302是固定在一起的，因此，当光栅302转动时，光源301、透镜303是和光栅302一起转的。

在一些实施例中，透镜303为普通的光学透镜，对光束进行准直、会聚；光纤307是一种由玻璃或塑料制成的纤维，当一束单色光以一定的入射角入射到光纤端面时将发生全反射，利用该原理将光纤实现光传导；可以理解的是，当光栅302转动时，不同波长的单色光309在使用光纤307作光传导时，需要以不同的入射角或者使用不同模式的光纤才可以实现光传导；需要说明的是，根据传输模式的不同可分为单模光纤和多模光纤，单模光纤只可以传输特定波长的光束，多模光纤可以传输多种波长的光束。

图4为根据本发明实施例的又一种漫反射率测定装置。装置40包含积分球401、单色光产生装置402、光接收器403和漫反射平面404。其中，积分球401包含第一窗口407、第二窗口408和第三窗口409，其中，第一窗口407为入光窗口，第二窗口408为光接收窗口，第三窗口409为放置漫反射平面404的窗口，单色光产生装置402的光束出射口对准放置在第一窗口407处、光接收器403的光束接收口对准放置在第二窗口408处；通过单色光产生装置402产生单色光405，并投射到漫反射平面404产生漫反射光束406，漫反射光束406在积分球401内部经过多次漫反射后入射到光接收器403，得到相应的信号值，再通过计算得到待测漫反射平面的漫反射率值。

图5为根据本发明实施例的一种漫反射率检测步骤流程示意图。按照图5的步骤对装置40包含的检测步骤依次进行说明，步骤S501：将已知漫反射率R_{0,N(N＝1，2，3...)}的漫反射平面404放置于第三窗口409处；步骤S502：控制转动台对光栅进行转动，使不同单色光405投射到已知漫反射率R_{0,N(N＝1，2，3...)}的漫反射平面404，并记录接收器403处测得的相应信号值V_{0,N(N＝1,2,3...)}；步骤S503：根据测试得到的信号值，对于每一种单色光，计算相应的参比值K_{N(N＝1,2,3...)}＝R_0,N/V_0,N，储存到处理器中；步骤S504：将待测漫反射率R_{x,N(N＝1,2,3...)}的平面404放置在第三窗口409处；步骤S505：控制转动台对光栅进行转动，使不同单色光405投射到待测漫反射率R_{x,N(N＝1,2,3...)}的平面404，并记录接收器403处测得的相应信号值V_{x,N(N＝1,2,3...)}；步骤S506：根据V_x/R_x＝V₀/R₀，得到待测漫反射率的平面404对不同单色光的漫反射率R_{x,N(N＝1,2,3...)}＝K_{N(N＝1,2,3...)}·V_{x,N(N＝1,2,3...)}。需要说明的是，不同的单色光，漫反射平面的漫反射率不同，在本实施例中，一个N值代表一种单色光。

本发明达到的有益效果为，通过积分球法实现了对漫反射平面漫反射率的准确检测；此外，通过光栅单色光装置与积分球漫反射率检测装置结合，实现了对同一平面在不同单色光入射时的漫反射率检测，达到了在同一装置进行多漫反射率结果检测的效果。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”

等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

上述根据本发明的漫反射率的测量方法可在硬件、固件中实现，或者被实现为可存储在记录介质(诸如CD ROM、RAM、软盘、硬盘或磁光盘)中的软件或计算机代码，或者被实现通过网络下载的原始存储在远程记录介质或非暂时机器可读介质中并将被存储在本地记录介质中的计算机代码，从而在此描述的方法可被存储在使用通用计算机、专用处理器或者可编程或专用硬件(诸如ASIC或FPGA)的记录介质上的这样的软件处理。可以理解，计算机、处理器、微处理器控制器或可编程硬件包括可存储或接收软件或计算机代码的存储组件(例如，RAM、ROM、闪存等)，当所述软件或计算机代码被计算机、处理器或硬件访问且执行时，实现在此描述的处理方法。此外，当通用计算机访问用于实现在此示出的处理的代码时，代码的执行将通用计算机转换为用于执行在此示出的处理的专用计算机。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种漫反射率检测装置，其特征在于，包括：

单色光产生器，用于产生单色光，并将所述单色光投射到漫反射平面上；

漫反射平面，包含已知漫反射率的漫反射平面和待检测的漫反射平面，用于接收所述单色光产生器产生的单色光，并产生漫反射光束；

积分球，用于对所述漫反射光束进行多次反射，使得所述漫反射光束的能量均匀化；

光接收器，用于测量经所述积分球多次反射后的漫反射光束的信号值。

2.根据权利要求1所述的漫反射率检测装置，其特征在于，所述积分球上开设有第一窗口、第二窗口和第三窗口；所述单色光产生器的光束出射口对准放置在所述第一窗口处、所述光接收器的光束接收口对准放置在所述第二窗口处、所述漫反射平面对准放置在所述第三窗口处。

3.根据权利要求2所述的漫反射率检测装置，其特征在于，所述漫反射平面的面积不小于所述第三窗口的孔径值。

4.根据权利要求1所述的漫反射率检测装置，其特征在于，所述单色光产生器为激光器、单色仪或分光光度计。

5.根据权利要求1所述的漫反射率检测装置，其特征在于，所述光接收器为功率计或者光电二极管。

6.根据权利要求1所述的漫反射率检测装置，其特征在于，所述单色光产生器为光栅单色光产生装置，从光的发射方向依次包括光源、光栅、第一透镜、狭缝、第二透镜、光纤和第三透镜；所述光栅单色光产生装置还包括转动台，用于转动所述光栅，使得不同波长的单色光能够投射到漫反射平面上。

7.根据权利要求6所述的漫反射率检测装置，其特征在于，所述光栅为大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学元件，包含平面光栅和/或凹面光栅。

8.权利要求1-7任一所述的漫反射率检测装置的漫反射率检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：控制所述单色光产生器使其产生的单色光投射到已知漫反射率为R₀的平面上产生漫反射光束，并记录所述光接收器测得的光信号值V₀；

S2：计算参比值K＝R₀/V₀；

S3：控制所述单色光产生器使其产生的单色光投射到待检测平面上产生漫反射光束，并记录所述光接收器测得的光信号值V_x；

S4：根据V_x/R_x＝V₀/R₀，计算得到待测平面的漫反射率R_x＝K·V_x。

9.根据权利要求8所述的漫反射率检测方法，其特征在于，所述单色光产生器为光栅单色光产生装置，所述光栅单色光产生装置从光的发射方向依次包括光源、光栅、第一透镜、狭缝、第二透镜、光纤和第三透镜；所述光栅单色光产生装置还包括转动台，用于转动所述光栅，使得不同波长的单色光能够投射到漫反射平面上；所述漫反射率检测方法包括以下步骤：

T1：控制所述转动台对所述光栅进行转动，使不同的单色光投射到已知漫反射率为R_{0,N(N＝1，2，3...)}的漫反射平面，并记录所述光接收器测得的相应信号值V_{0,N(N＝1,2,3...)}；

T2：对每一种单色光，计算相应的参比值K_{N(N＝1,2,3...)}＝R_{0,N(N＝1,2,3...)}/V_{0,N(N＝1,2,3...)}；

T3：控制所述转动台对所述光栅进行转动，使不同的单色光投射到待测平面，并记录所述光接收器测得的相应信号值V_{x,N(N＝1,2,3...)}；

T4：根据V_x/R_x＝V₀/R₀，计算得到待测平面对不同单色光的漫反射率R_{x,N(N＝1,2,3...)}＝K_{N(N＝1,2,3...)}·V_{x,N(N＝1,2,3...)}；

其中，所述每一种单色光对应一个N值。

10.根据权利要求9所述的漫反射率检测方法，其特征在于，在所述步骤T1之前还包括以下步骤：

T0：对所述光栅的衍射光谱进行测试并标定；所述光源发出一束或多束复色光到所述光栅产生衍射光束，所述衍射光束通过所述第一透镜后，通过光谱仪测试得到所述光栅的衍射光谱，然后对出射的特征光间距进行标定，根据标定结果设置所述转动台，使得通过控制所述转动台对所述光栅进行转动时，每种特征光都能够精确地投射到所述漫反射平面上。