CN110596054A - 一种双向透射分布函数快速测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向透射分布函数快速测量装置，包括光源，光源的下方沿光传输方向设有样品，样品的下方设有半抛物面反射镜，所述半抛物面反射镜的轴截面与样品表面重合，且半抛物面反射镜的焦点位于样品表面；半抛物面反射镜的左侧沿光传输方向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左侧沿光传输方向设有光电探测器。本发明装置借助抛物面镜特殊的光学性质实现双向透射分布函数的快速测量，与现有装置相比能够大幅度减小测量时间，并且测量准确性好，适合多种材料的测量。

Description

一种双向透射分布函数快速测量装置

技术领域

本发明属于材料表面性能测量技术领域，具体涉及一种双向透射分布函数快速测量装置。

背景技术

双向透射分布函数(Bidirectional transmission Distribution Function，简称BTDF)是从辐射度学出发、在几何光学的基础上描述各种材料光谱透射特性的物理量。它表示了不同入射角条件下材料在任意观测角的透射特性。

在计算机图形学领域，双向透射分布函数用来描述透明、半透明物体材料的透射特性，基于双向透射分布函数可以精确地实现透明、半透明目标的三维建模。在光学系统设计与加工领域，双向透射分布函数是评价光学元件、光学薄膜等光学性能的重要参数。日常生活中也会充分利用材质的双向透射特性，如毛玻璃门窗，可以发散物体发出的光，达到光线均化、模糊成像的效果。工业生产领域，涉及众多元件光学双向透射特性的计算或测量，如LCD液晶显示器的液晶面板、玻璃幕墙等。

双向透射分布函数通常是通过测量实验获得。根据目前可检索的文献，亚利桑那光学中心于1982年最早开展了BTDF测量研究。采用632.8nm，3.391μm，10.6μm的激光器作为光源，测量获得了3个波长的BTDF数据。受光源限制，无法获得连续光谱双向透射分布函数的测量数据。2007年麻省理工学院搭建了角度测量装置，采用数字相机作为数据采集系统获得了材料双向透射分布函数的测量数据。测量谱段范围为380-1700μm，测量角范围为天顶角10-80°，方位角0-315°，由于相机具有一定尺寸，使得测量角度受到了一定的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双向透射分布函数快速测量装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种双向透射分布函数快速测量装置，包括光源，光源的下方沿光传输方向设有样品，样品的下方设有半抛物面反射镜，所述半抛物面反射镜的轴截面与样品表面重合，且半抛物面反射镜的焦点位于样品表面；半抛物面反射镜的左侧沿光传输方向设有第一离轴抛物面反射镜，第一离轴抛物面反射镜的轴截面与半抛物面反射镜的轴截面平行；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左侧沿光传输方向设有光电探测器。

为了满足实现需求，实现入射天顶角和方位角的变化，所述光源设置在转角装置上，所述转角装置包括第一电动旋转台，第一电动旋转台上设有弧形轨道和支撑杆，支撑杆的底部与第一电动旋转台连接，弧形轨道的下端与第一电动旋转台连接，上端与支撑杆的顶部连接。

优选的，所述第一电动旋转台上设有第一通光孔，所述支撑杆的底部和弧形轨道的下端的连接线通过第一通光孔的圆心；弧形轨道的向下正投影可以将第一通光孔分为两个等同的半圆；所述弧形轨道优选为1/4圆弧轨道。

为了实现光源在弧形轨道上运动，优选的，所述光源与弧形轨道之间设有步进电机。

优选的，所述样品位于第二电动旋转台上，所述第二电动旋转台上设有第二通光孔，样品的待测区域覆盖在第二通光孔上，样品可以在第二电动旋转台的带动下实现360°转动。

优选的，所述半抛物面反射镜设在电动位移台上，所述电动位移台的移动方向与半抛物面反射镜的光传输方向平行。

优选的，所述光电探测器为CCD阵列。所述样品表面为样品的透射面。

利用上述装置测量的方法，包括以下步骤：

步骤1：放置样品前，利用弧形轨道和第一电动旋转台将光源输出端移动至合适位置，打开光源，测量入射光强度，作为参照；

步骤2：放置样品，使样品的表面（透射面）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；

步骤3：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透射分布函数；

步骤4：将样品旋转180°，步骤2即可得到另外四分之一球面空间的双向透射分布函数。

双向透射分布函数的测量中，透射光的出射点会随着入射角度、材料折射率的变化而发射变化，本发明中的半抛物面反射镜能够沿水平方向移动，可以很好地解决这一问题；采用转角装置可以实现入射天顶角和方位角的变化，测量角度范围大。本发明装置借助抛物面镜特殊的光学性质实现双向透射分布函数的快速测量，与现有装置相比能够大幅度减小测量时间，并且测量准确性好，适合多种材料的测量。

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，但本发明的保护范围并不仅限于此。

一种双向透射分布函数快速测量装置，包括光源1，光源1的下方沿光传输方向设有样品2，样品2的下方设有半抛物面反射镜3，所述半抛物面反射镜3的轴截面与样品2表面重合，且半抛物面反射镜3的焦点位于样品2表面；半抛物面反射镜3的左侧沿光传输方向设有第一离轴抛物面反射镜4，第一离轴抛物面反射镜4的轴截面与半抛物面反射镜3的轴截面平行；第一离轴抛物面反射镜4的焦点处设有光阑5，光阑5的下方沿光传输方向设有第二离轴抛物面反射镜6，第二离轴抛物面反射镜6的焦点与第一离轴抛物面反射镜4的焦点重合；第二离轴抛物面反射镜6的左侧沿光传输方向设有光电探测器7。

所述光源1设置在转角装置上，所述转角装置包括第一电动旋转台8，第一电动旋转台8上设有弧形轨道9和支撑杆10，支撑杆10的底部与第一电动旋转台8连接，弧形轨道9的下端与第一电动旋转台8连接，上端与支撑杆10的顶部连接；所述第一电动旋转台8上设有第一通光孔12，所述支撑杆10的底部和弧形轨道9的下端的连接线通过第一通光孔12的圆心；弧形轨道9的向下正投影可以将第一通光孔12分为两个等同的半圆；所述弧形轨道9优选为1/4圆弧轨道。所述光源1与弧形轨道9之间设有步进电机11，步进电机11实现光源1在弧形轨道9上的运动。

所述样品2位于第二电动旋转台13上，所述第二电动旋转台13上设有第二通光孔14，样品2的待测区域覆盖在第二通光孔14上，样品2可以在第二电动旋转台13的带动下实现360°转动。

所述半抛物面反射镜3设在电动位移台15上，所述电动位移台15的移动方向与半抛物面反射镜3的光传输方向平行。所述光电探测器7为CCD阵列。

使用时，利用步进电机11和第一电动旋转台8将光源调整到合适位置，利用第二电动旋转台13旋转样品2找到需要测量的待测区域，使用电动位移台15调整半抛物面反射镜3，使半抛物面反射镜3的轴截面与样品的表面（透射面）重合，且半抛物面反射镜焦点位于样品表面的待测区域内；打开光源，光电探测器7即可采集到数据。

利用上述测量装置测量双向透射分布函数的方法，包括以下步骤：

步骤1：放置样品前，利用步进电机11配合弧形轨道9和第一电动旋转台8将光源输出端移动至合适位置，打开光源，测量入射光强度，作为参照；

步骤2：放置样品，使样品的表面（透射面）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；

步骤3：将光源移动至设定位置，打开光源，在光电探测器7上采集到半圆的图像，即可得到四分之一球面空间的双向透射分布函数；

步骤4：将样品旋转180°，步骤2即可得到另外四分之一球面空间的双向透射分布函数。

本发明装置借助抛物面镜特殊的光学性质实现双向透射分布函数的快速测量，与现有装置相比能够大幅度减小测量时间，并且测量准确性好，适合多种材料的测量；同时采用转角装置可以实现入射天顶角和方位角的变化，测量角度范围大。

Claims (8)

1.一种双向透射分布函数快速测量装置，其特征在于，包括光源，光源的下方沿光传输方向设有样品，样品的下方设有半抛物面反射镜，所述半抛物面反射镜的轴截面与样品表面重合，且半抛物面反射镜的焦点位于样品表面；半抛物面反射镜的左侧沿光传输方向设有第一离轴抛物面反射镜，第一离轴抛物面反射镜的轴截面与半抛物面反射镜的轴截面平行；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左侧沿光传输方向设有光电探测器。

2.根据权利要求1所述的一种双向透射分布函数快速测量装置，其特征在于，所述光源设置在转角装置上，所述转角装置包括第一电动旋转台，第一电动旋转台上设有弧形轨道和支撑杆，支撑杆的底部与第一电动旋转台连接，弧形轨道的下端与第一电动旋转台连接，上端与支撑杆的顶部连接。

3.根据权利要求1所述的一种双向透射分布函数快速测量装置，其特征在于，所述样品位于第二电动旋转台上。

4.根据权利要求1所述的一种双向透射分布函数快速测量装置，其特征在于，所述半抛物面反射镜设在电动位移台上，所述电动位移台的移动方向与半抛物面反射镜的光传输方向平行。

5.根据权利要求2所述的一种双向透射分布函数快速测量装置，其特征在于，所述第一电动旋转台上设有第一通光孔，所述支撑杆的底部和弧形轨道的下端的连接线通过第一通光孔的圆心。

6.根据权利要求3所述的一种双向透射分布函数快速测量装置，其特征在于，所述第二电动旋转台上设有第二通光孔，样品的待测区域覆盖在第二通光孔上。

7.根据权利要求1所述的一种双向透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。

8.一种利用权利要求1-7任一所述的一种双向透射分布函数快速测量装置测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：放置样品前，将光源输出端移动至合适位置，打开光源，测量入射光强度，作为参照；

步骤2：放置样品，使样品的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；

步骤3：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透射分布函数；

步骤4：将样品旋转180°，步骤2即可得到另外四分之一球面空间的双向透射分布函数。