CN110596045A - 一种变温双向反射分布函数快速测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变温双向反射分布函数快速测量装置，包括加热器和光源，光源的右侧沿光传输方向设有平面反射镜，平面反射镜的镜面与光源主光轴的夹角为45°；平面反射镜的下方沿光传输方向设有分束立方体；分束立方体的左侧沿分束立方体的反射光传输方向设有半抛物面反射镜，半抛物面反射镜的右侧设有第一离轴抛物面反射镜，第一离轴抛物面反射镜的焦点处设有光阑；光阑的下方设有第二离轴抛物面反射镜，第二离轴抛物面反射镜的右侧沿光传输方向设有光电探测器；所述加热器中样品表面与半抛物面反射镜的轴截面重合，且半抛物面反射镜焦点位于样品表面的待测区域内。本发明装置测量时间短，测量结果准确，重复性好，能够适用于各种材料表面。

Description

一种变温双向反射分布函数快速测量装置

技术领域

本发明属于材料性能检测技术领域，具体涉及一种变温双向分布函数快速测量装置。

背景技术

物体表面散射光场的空间分布可以用双向反射分布函数(BRDF)描述。BRDF能够表征物体表面对不同方向的入射光在各个角度的反射分布，是一个多元函数，测量过程复杂。

现有的双向反射分布函数测量装置主要有两类：一类是利用高精度的转角装置，通过样品、光源和探测器之间的配合转动实现材料表面BRDF的测量；另一类是利用成像系统将各个角度处的辐射量分布成像到阵列式探测器上，再通过图像处理得到散射光强分布值。

第一类装置中，探测器响应范围较大，配合后续电路可以实现任意角度处反射辐射通量的精确测量，其缺点是耗时多，虽然采用计算机控制自动扫描测量可以提高测量速度，但仍不能实现实时的在线测量，且测量过程中容易因光源输出功率及探测器响应度变化而受到影响，重复性较差。

第二类装置中，各个角度的散射光通量由光学成像和图像采集的方法获取，可以实现在短时间内同时测量空间各个角度的光通量分布，因此测量结果比较稳定，重复性好。但只能接收半球空间中某一立体角范围内的散射光，同时不能检测变温状态下材料的函数。

目前测量表面双向反射分布的装置的问题主要有：不能在较短的时间内完成表面双向反射分布测量；重复性误差较大；无法避免回射光干扰测量；装置制造工艺复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变温双向反射分布函数快速测量装置，同时提供了利用该装置进行测量的方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种变温双向反射分布函数快速测量装置，包括加热器和光源，光源的右侧沿光传输方向设有平面反射镜，平面反射镜的镜面与光源主光轴的夹角为45°；平面反射镜的下方沿光传输方向设有分束立方体；分束立方体的左侧沿分束立方体的反射光传输方向设有半抛物面反射镜，半抛物面反射镜的轴截面与分束立方体的反射光平行；半抛物面反射镜的右侧设有第一离轴抛物面反射镜，半抛物面反射镜的内抛面与第一离轴抛物面反射镜的内抛面相对应，且半抛物面反射镜的轴截面与第一离轴抛物面反射镜的轴截面平行；所述分束立方体位于半抛物面反射镜和第一离轴抛物面反射镜之间；第一离轴抛物面反射镜的焦点处设有光阑；光阑的下方沿光传输方向设有第二离轴抛物面反射镜，第二离轴抛物面反射镜的焦点与第一离轴抛物面反射镜的焦点重合，第二离轴抛物面反射镜的右侧沿光传输方向设有光电探测器；所述加热器中样品表面与半抛物面反射镜的轴截面重合，且半抛物面反射镜焦点位于样品表面的待测区域内。

优选的，为了保证测量的准确性，第一离轴抛物面反射镜需要接收半抛物面反射镜由焦点发出的全部反射光线，本领域技术人员可以根据需求选择第一离轴抛物面反射镜和半抛物面反射镜的大小、位置关系等，同时调整分束立方体的透过性，以保证半抛物面反射镜由焦点发出的反射光线通过。

优选的，所述加热器为平板加热器，平板加热器上带有样品放置区，能够对样品进行加热；为了方便对样品的多角度进行检测，所述加热器位于电动旋转台上，实现样品的旋转。

优选的，所述光源位于第一电动位移台上，第一电动位移台的移动方向与主光轴垂直；所述平面反射镜位于第二电动位移台上，第二电动位移台的移动方向与主光轴平行；第一电动位移台和第二电动位移台实现了光源和平面反射镜的一维运动，光源的一维移动和平面反射镜的一维移动相结合，实现了入射天顶角和方位角的独立变化，测量角度范围大。

优选的，所述光电探测器为CCD阵列、可三维移动的单点探测器或可二维移动的线阵探测器。

利用上述装置测量的方法，包括以下步骤：

步骤1：测量时将样品放置在半抛物面反射镜的轴截面处，使样品表面与半抛物面反射镜的轴截面重合，且半抛物面反射镜的焦点位于样品表面的待测区域内；开启加热器，将样品加热到设定温度；

步骤2：将光源和平面反射镜移动至设定位置，打开光源，在光电探测器上采集到半圆的图像，即可得到四分之一球面空间的双向反射分布函数；

步骤3：将加热器绕焦点处表面的法线旋转180°，重复步骤2即可得到另外四分之一球面空间的双向反射分布函数。

本发明结构简单合理，采用反射式测量光路，能够消除透射式测量光路引入的相差，还能够在不更换元件第一离轴抛物面反射镜和第二离轴抛物面反射镜的情况下实现宽波段双向反射分布函数的测量；将光源一维移动和平面反射镜一维移动相结合，能够实现入射天顶角和方位角独立变化，测量角度的范围大；同时增加了加热装置，能够适用于变温下目标表面的双向反射分布函数测量；本发明装置测量时间短，测量结果准确，重复性好，能够适用于各种材料表面。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的额外保护范围并不仅限于此。

一种变温双向反射分布函数快速测量装置，包括加热器5和光源1，光源1的右侧沿光传输方向设有平面反射镜2，平面反射镜2的镜面与光源1主光轴11的夹角为45°；平面反射镜2的下方沿光传输方向设有分束立方体3；分束立方体3的左侧沿分束立方体3的反射光传输方向设有半抛物面反射镜4，半抛物面反射镜4的轴截面与分束立方体3的反射光平行；半抛物面反射镜4的右侧设有第一离轴抛物面反射镜6，半抛物面反射镜4的内抛面与第一离轴抛物面反射镜6的内抛面相对应，且半抛物面反射镜4的轴截面与第一离轴抛物面反射镜6的轴截面平行；所述分束立方体3位于半抛物面反射镜4和第一离轴抛物面反射镜6之间；第一离轴抛物面反射镜6的焦点处设有光阑7；光阑7的下方沿光传输方向设有第二离轴抛物面反射镜12，第二离轴抛物面反射镜12的焦点与第一离轴抛物面反射镜6的焦点重合，第二离轴抛物面反射镜12的右侧沿光传输方向设有光电探测器13；所述加热器5中样品表面与半抛物面反射镜4的轴截面重合，且半抛物面反射镜4焦点位于样品表面的待测区域内。

所述加热器5为平板加热器，平板加热器上带有样品放置区，能够对样品进行加热；为了方便对样品的多角度进行检测，所述加热器5位于电动旋转台8上，实现样品的旋转。所述光源1位于第一电动位移台9上，第一电动位移台9的移动方向与主光轴11垂直；所述平面反射镜2位于第二电动位移台10上，第二电动位移台10的移动方向与主光轴11平行；第一电动位移台9和第二电动位移台10实现了光源和平面反射镜的一维运动。

使用时，调整第一电动位移台9和第二电动位移台10的使光源1和平面反射镜2达到设定位置，打开光源1，主光轴11经平面反射镜2反射后到达分束立方体4，然后分束后的反射光平行射入半抛物面反射镜4，在半抛物面反射镜4的焦点处汇合；此时加热器5已经对样品进行加热，半抛物面反射镜4焦点位于样品表面的待测区域内，样品发出的光经半抛物面反射镜4反射、第一离轴抛物面反射镜6、光阑7、第二离轴抛物面反射镜11汇集在光电探测器13上，即可采集数据。

利用上述测量装置测量双向发射分布函数的方法，包括以下步骤：

步骤1：测量时将样品放置在半抛物面反射镜4的轴截面处，使样品表面与半抛物面反射镜4的轴截面重合，且半抛物面反射镜4的焦点位于样品表面的待测区域内；开启加热器5，将样品加热到设定温度；

步骤2：利用第一电动位移台9和第二电动位移台10将光源1和平面反射镜2移动至设定位置，打开光源1，在CCD上采集到半圆的图像，即可得到四分之一球面空间的双向反射分布函数；

步骤3：利用电动旋转台8将加热器绕焦点处表面的法线旋转180°，重复步骤2即可得到另外四分之一球面空间的双向反射分布函数。

本发明装置测量速度时间短，测量结果准确，重复性好，能够适用于各种材料表面。

Claims (7)

1.一种变温双向反射分布函数快速测量装置，其特征在于，包括加热器和光源，光源的右侧沿光传输方向设有平面反射镜，平面反射镜的镜面与光源主光轴的夹角为45°；平面反射镜的下方沿光传输方向设有分束立方体；分束立方体的左侧沿分束立方体的反射光传输方向设有半抛物面反射镜，半抛物面反射镜的轴截面与分束立方体的反射光平行；半抛物面反射镜的右侧设有第一离轴抛物面反射镜，半抛物面反射镜的内抛面与第一离轴抛物面反射镜的内抛面相对应，且半抛物面反射镜的轴截面与第一离轴抛物面反射镜的轴截面平行；所述分束立方体位于半抛物面反射镜和第一离轴抛物面反射镜之间；第一离轴抛物面反射镜的焦点处设有光阑；光阑的下方沿光传输方向设有第二离轴抛物面反射镜，第二离轴抛物面反射镜的焦点与第一离轴抛物面反射镜的焦点重合，第二离轴抛物面反射镜的右侧沿光传输方向设有光电探测器；所述加热器中样品表面与半抛物面反射镜的轴截面重合，且半抛物面反射镜焦点位于样品表面的待测区域内。

2.根据权利要求1所述的一种变温双向反射分布函数快速测量装置，其特征在于，所述加热器为平板加热器。

3.根据权利要求1所述的一种变温双向反射分布函数快速测量装置，其特征在于，所述加热器位于电动旋转台上。

4.根据权利要求1所述的一种变温双向反射分布函数快速测量装置，其特征在于，所述光源位于第一电动位移台上，第一电动位移台的移动方向与主光轴垂直。

5.根据权利要求1所述的一种变温双向反射分布函数快速测量装置，其特征在于，所述平面反射镜位于第二电动位移台上，第二电动位移台的移动方向与主光轴平行。

6.根据权利要求1所述的一种变温双向反射分布函数快速测量装置，其特征在于，所述光电探测器为CCD阵列、可三维移动的单点探测器或可二维移动的线阵探测器。

7.一种利用权利要求1-6任一所述的一种变温双向反射分布函数快速测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：测量时将样品放置在半抛物面反射镜的轴截面处，使样品表面与半抛物面反射镜的轴截面重合，且半抛物面反射镜的焦点位于样品表面的待测区域内；开启加热器，将样品加热到设定温度；

步骤2：将光源移动至设定位置，打开光源，在光电探测器上采集到半圆的图像，即可得到四分之一球面空间的双向反射分布函数；

步骤3：将加热器绕焦点处表面的法线旋转180°，重复步骤2即可得到另外四分之一球面空间的双向反射分布函数。