CN110702613A - 试样全偏振二向反射分布测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

试样全偏振二向反射分布测试属于材料光学特性测试领域，现有的试样二向反射分布方法只能够对试样的强度二向反射分布或者偏振穆勒矩阵中的3个组元进行测试，其它13个组元无法进行测试。本发明涉及照射光源、载物台、分析仪组成的试样偏振二向反射分布的测量系统，以及载物台扫描控制流程和数据处理流程。照明光源为无偏光和数个偏振态的偏振光，照射在载物台上的被试品上；分析仪安装在载物台上的测量臂上，依据所述的扫描流程对被试品上半球空间的反射光数个偏振态光的亮度进行扫描；最后依据所述的数据处理流程对测量的数据进行处理，形成完备的16个组元的二向反射分布及分布函数。

Description

试样全偏振二向反射分布测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种试样全偏振二向反射分布测试装置及方法，属于材料的光学特性测试领域。

背景技术

二向反射函数(BRDF)反映的是材质上半球空间的辐亮度与照射到材质上的辐照度的比值函数，偏振二向反射分布函数(pBRDF)是对幅亮度进行了偏振维度的细分。一束光的偏振态是由斯托克斯矢量来表示，光在照射到物体表面后反射光偏振态的斯托克斯矢量等于材质的穆勒系数矩阵与光在照射到物体表面前的斯托克斯矢量的乘积，乘积的结果就是pBRDF，包含了4×4个组元，由于pBRDF能够将目标材料的理化特性与入射光、反射光的偏振信息联系起来，在目标偏振特性分析与探测、目标特性的仿真与模拟等技术领域中有着非常重要的应用价值。

为了获取材质的pBRDF，首先要进行测试，现有的试样二向反射特性测试方法存在的问题是：1)一般采用无偏光照射试样，通过线偏振相机或光谱仪对试样的偏振特性进行分析，由于入射光是无偏光，相机采用的是线偏振相机，因此只能够完成第一行前3个组元的测试，测试的要素不全面(组元为16个)；2)在试验设计时，一般仅考虑光源入射光为平行光并且要求一定的均匀度，但没有考虑光源与探测器之间的视场配合问题，当二者不匹配，会导致杂散光进入测量视场，影响测量的精度；3)在对试样的穆勒矩阵组元进行测试时，若将入射光和出射光都进行全偏振态设定，会导致测试时间长(4×4组测试)，数据的兼容性下降等问题。

而采用偏振光照射下，“1组全偏振探测(4组偏振探测)+2组偏振探测”(共计6组)，同时配合优化的测试装置与方法，可实现全穆勒矩阵元的高精度与高效的测试。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种可实现试样材料的16元的穆勒矩阵二向反射分布的测试装置及测量方法，同时提高测试精度和缩短测试时间。

为实现上述目的，本发明提供一种试样全偏振二向反射分布测量装置，实现载物台扫描控制流程和数据处理流程，通过多个光路设计实现装置各部件设计，并建立测试和数据处理流程，满足材料的光学特性测试需求。

(1)可见光光源光路

可见光光源可输出无偏光和不同偏振态的光，通过不同的透镜组成，保证偏振镜组起偏光的质量，以及生成大小不同的发散角。

(2)起偏和检偏光路

偏振镜组由前置镜、后置镜、滤光片、相位延迟器、偏振片等组成。通过控制液晶相位延迟器的电压，设置不同的相位延迟值，可实现对光的偏振态的控制。

(3)激光光源光路

激光光源由激光器、目镜、物镜和发散透镜组成，根据实际照射与接收条件通过不同透镜组合方式实现。

(4)载物台摆扫方式

扫描方式是指对载物台的测量臂依据设定的扫描轨迹围绕试样进行上半球空间的二维扫描，扫描方式为高强度位置的精细扫描和低强度位置的粗略扫描，扫描方式为旋转摆扫。

(5)测量方法与数据处理流程

根据测试装置组成，建立四种测量方法与数据处理流程，满足不同场景的光学特性测试需求。

具体的，本发明提供一种试样全偏振二向反射分布测试装置，由照射光源、载物台、分析仪组成，所述照射光源由可见光光源和激光光源组成，可输出无偏光和(或)数个偏振态的偏振光，照射在载物台上的被试品上；所述照射光源设计为大发散角和小发散角各1个，用于全覆盖试样和部分照射试样；所述载物台的测量臂可依据设定的扫描轨迹围绕试样进行上半球空间的二维扫描，扫描方式为高强度位置的精细扫描和低强度位置的粗略扫描，扫描方式为旋转摆扫；所述的分析仪为可对试样全偏振态的反射光进行测量的可见光相机或光纤光谱仪，当使用光纤光谱仪时，可配备大视场和小视场探测镜头各1个，在大散射角照射、小视场接收，或小散射角照射、大视场接收的工作模式下，以及在照射光源和分析仪偏振态配合下，通过所述分析仪对被试试样的旋转摆扫，完成16元穆勒矩阵的测量。

所述可见光光源为全谱段可见光光源，通过偏振镜组可输出无偏光和3个偏振态的输出光，所述激光光源可输出3个偏振态的光。所述载物台的测量臂的扫描包括高强度位置的精细扫描和低强度位置的粗略扫描，扫描方式为旋转摆扫。

分析仪安装在所述载物台上的测量臂上，依据所述的扫描流程对被试品上半球空间的反射光数个偏振态光的亮度进行扫描；最后依据所述的数据处理流程对测量的数据进行处理，形成完备的16个组元的二向反射分布及分布函数。在试验条件设置时，光源采用大发散角时，对应小视场探测；光源采用小发散角时，对应大视场探测。

可见光光源可输出无偏光和不同偏振态的光，可见光光源包括依次设置的抛物面反射镜、卤钨灯或氙灯、一次准直透镜、偏振镜组、汇聚透镜、二次准直透镜，其中一次准直透镜和汇聚透镜共同用于压缩和准直光路，从而保证偏振镜组入射的光的角度在较小的范围内，进而保证偏振镜组起偏光的质量，偏振组镜生成偏振光，二次准直透镜可输出准直光，并且与汇聚透镜间的距离可调，用于生成大小不同的发散角。二次准直透镜工作在定焦和离焦两种模式，分别生成小发散角和大发散角照射光。

偏振镜组包括前置镜、滤光片、相位延迟器、偏振片、后置镜，所述滤光片采用液晶可调滤光片或声光可调滤光片，所述相位延迟器采用液晶相位延迟器，通过控制液晶相位延迟器的电压，设置不同的相位延迟值，可实现对光的偏振态的控制，前置镜的作用是将入射光限定在一定的入射角度范围内，与可见光光源的一次准直透镜作用相同。

所述滤光片通过电控方式实现滤光，控制相位延迟器产生4个相位延迟量，配合滤光片生成4个偏振态的照射光。

所述激光光源包括依次设置的激光器、目镜、物镜和发散透镜，目镜和物镜构成倒置的望远镜，对激光器发出的光进行扩束，当需要大发散角照射，小视场接收时，使用发散透镜对激光束进行扩束。所述旋转摆扫具体为在入射光镜像方向采用同轴圆形或椭圆形扫描由里及外，由密到疏进行扫描；扫描长轴越过天顶后，采用单侧回摆扫描。

本发明还提供一种试样全偏振二向反射分布测试装置的测量方法：依据扫描流程对被试品上半球空间的反射光数个偏振态光的亮度进行扫描；当采用PG模型，探测模式为无偏光入射，分析仪对S0和S1进行探测，共进行2个全周期扫描；采用偏振光照射，分析仪进行1个全偏振探测和2个单次偏振探测，共计进行3次全周期扫描；采用全偏振态照射，分析仪分别进行S0-S1、S1、S2-S3、S3探测，共计进行4次全周期扫描。依据所述的数据处理流程对测量的数据进行处理，形成完备的16个组元的二向反射分布及分布函数。

本发明的技术效果在于：

(1)偏振光源和全偏振态探测的组合，不仅能够实现对穆勒矩阵的第1列前3个组元的测量，而且能够实现16个组元的全偏振态测量；

(2)依据穆勒矩阵测量的需求的不同，通过光源和探测偏振态的配合，还可以将入射和出射光偏振态的4×4的测量组合简化为4+1+1的组合，缩短测试的时间；

(3)通过大发散角照射、小视场接收，或小发散角、大视场接收的工作模式，可适应不同试样大小，降低杂散光的影响，提高测量精度；

(4)通过高强度位置的精细扫描和低强度位置的粗略扫描，可缩短测试时间，提高测量精度；

(5)通过旋转摆扫的方式，可解决光源照射遮挡的问题和光纤或数据线、电源线、控制线等的缠绕问题。

(6)将入射和出射光偏振态的4×4的测量组合简化为4+1+1的组合，利用穆勒矩阵中的对称性，采用特定的线偏振光或圆偏振光入射，测量时间缩短为原来的6/16。

附图说明

图1是全偏振二向反射分布测量装置的系统框图；

图2是光源中可见光光源光路设计图；

图3是可见光光源和分析仪中偏振镜组的光路设计图

图4为光源中激光器光源光路示意图；

图5为试样上半球空间-旋转摆扫示意图；

图6为穆勒矩阵偏振二向反射分布测试及数据处理流程。

图中：1-光源、2-载物台、3-分析仪、4-光源支架、5-方位定子、6-方位平衡负载、7-测量臂、8-可见光光源、9-抛物面反射镜、10-一次准直透镜、11-偏振镜组、12-汇聚透镜、13-二次准直透镜、14-前置镜、15-滤光片、16-相位延迟器、17-偏振片、18-后置镜、19-激光器、20-目镜、21-物镜和22-发散透镜、23-第1圈扫描、24-第2圈扫描、25-第3圈扫描、26-第4圈扫描、27-第5次扫描、28-第6次扫描。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如下。本发明之试样全偏振二向反射分布测试装置及方法。全偏振二向反射分布测试装置如图1所示，由光源(1)、载物台(2)、分析仪(3)组成的光路，和由光源支架(4)、方位定子(5)、方位平衡负载(6)、测量臂(7)组成的机械结构组成，以及依据如图5所示扫描控制流程，和如图6所示数据处理流程进行测量。照明光源(1)为可见光光源和激光光源，可输出无偏光和(或)数个偏振态的偏振光，照射在载物台上(2)的被试品上；分析仪安装在载物台上的测量臂上(7)，依据所述的扫描流程对被试品上半球空间的反射光数个偏振态光的亮度进行扫描；最后依据所述的数据处理流程对测量的数据进行处理，形成完备的16个组元的二向反射分布及分布函数。在试验条件设置时，光源采用大发散角时，对应小视场探测；光源采用小发散角时，对应大视场探测。

步骤一：光源中可见光光源光路设计

所述的可见光光源可输出无偏光和不同偏振态的光，可见光光路示意图如图2所示。可见光光源(8)、抛物面反射镜(9)、一次准直透镜(10)、偏振镜组(11)、汇聚透镜(12)二次准直透镜(13)组成。其中光源(8)可采用由卤钨灯或氙灯，一次准直透镜(10)和汇聚透镜(12)共同用于压缩和准直光路，从而保证偏振镜组(11)入射的光的角度在较小的范围内，进而保证偏振镜组(11)起偏光的质量。二次准直透镜(13)可输出准直光，并且与汇聚透镜(12)间的距离可调，用于生成大小不同的发散角。

步骤二：可见光光源和分析仪中偏振镜组的光路设计

所述光源和分析仪中的起偏和检偏光路，如图3所示。偏振镜组由前置镜(14)、滤光片(15)、相位延迟器(16)、偏振片(17)等组成、后置镜(18)。滤光片(15)采用液晶可调滤光片或声光可调滤光片，相位延迟器(16)采用液晶相位延迟器。通过控制相位延迟器(16)的电压，设置不同的相位延迟值，可实现对光的偏振态的控制。前置镜(14)的作用是将入射光限定在一定的入射角度范围内，与可见光光源(8)的一次准直透镜(10)作用相同。滤光片(15)、相位延迟器(16)和偏振片(17)构成图2中的偏振镜组。

步骤三：光源中激光光源光路设计

所述的激光光源如图4所示。激光光源由激光器(19)、目镜(20)、物镜(21)和发散透镜(22)组成。目镜(20)和物镜(21)构成倒置的望远镜，对激光器(19)发出的光进行扩束。当需要大发散角照射，小视场接收时，使用发散透镜(22)对激光束进行扩束。

步骤四：载物台摆扫方式设计

所述载物台摆扫方式，遵循镜像反射点附近密扫、远离镜像反射点疏扫的原则，如图5所示。当光源照射角度为30°时，第1圈扫描(23)为圆形扫描或椭圆形扫描，椭圆形扫描长轴在光源照射方向，然后依次进行第2圈扫描(24)、第3圈扫描(25)和第4圈扫描(26)的；当长轴超过扫描范围，则进行半圆或半椭圆扫描；扫描长轴越过天顶时，则进行摆扫，摆扫方式如第5次扫描(27)和第6次扫描(28)轨迹所示。

步骤五：测试和数据处理流程设计

所述测试和数据处理流程如图6所示。图中S0、S1、S2、S3入射和探测分别表示无偏光、0°偏振光、45°偏振光和圆偏振光。这里涉及四种测量方法与流程。具体的。

1)当偏振二向反射分布模型为PG模型(国际上常用的一种pBRDF模型，包括穆勒矩阵、阴影与遮挡函数、表面法线概率密度分布函数、体散射和漫反射等)或与PG模型相关的模型时，首先采用S0入射，S0、S1依次进行探测，经过测试后可依次求解f00和f01；由f01和f00之间的比值得到偏振度，由偏振度计算复折射率，由复折射率计算穆勒矩阵；最后在穆勒矩阵的基础上叠加分布函数，形成偏振二向反射分布。

2)当可见光光源方便输出无偏光，并且偏振二向反射分布可认为f02、f03、f12、f13、f20、f21、f30、f31为0时，首先将入射光调整为无偏光S0，对S0和S1进行探测，分别得到f00和f01，然后对采用S1入射，采用S1探测，得到f11；随后将入射光调整至S2，分别采用S2、S3探测，得到f22和f23；接着采用S3照射S3探测的方式得到f33；最后通过填充，得到补全后的偏振二向反射特性。

3)当入射光采用激光或者可见光光源不方便输出无偏光时，首先采用S2入射，分别采用S0、S1、S2、S3进行全偏振探测，可得到f00、f10、f22、f32；然后采用S1和S3入射，对应S1和S3探测，得到f11和f33；最后通过填充，得到补全后的偏振二向反射特性。

4)第4种测试和数据处理流程与第3)中相似：首先采用S3入射，分别采用S0、S1、S2、S3进行全偏振探测，得到f00、f10、f32和f33；然后采用S1和S2入射，对应S1和S3探测，得到f11和f23；最后通过填充，得到补全后的偏振二向反射特性。

Claims (10)

1.一种试样全偏振二向反射分布测试装置，包括照射光源、载物台、分析仪，其特征在于所述的照明光源由可见光光源和激光光源组成，可输出无偏光和/或数个偏振态的偏振光，照射在载物台上的被试试样上；所述照射光源设计为大发散角和小发散角各1个，用于全覆盖试样和部分照射试样；所述载物台的测量臂可依据设定的扫描轨迹围绕试样进行上半球空间的二维扫描，扫描方式为高强度位置的精细扫描和低强度位置的粗略扫描，扫描方式为旋转摆扫；所述的分析仪为可对试样全偏振态的反射光进行测量，在照射光源和分析仪偏振态配合下，通过分析仪对被试试样的旋转摆扫，可实现试样材料的16元穆勒矩阵二向反射分布的测量。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于：所述的分析仪为可对试样全偏振态的反射光进行测量的可见光相机或光纤光谱仪，当使用光纤光谱仪时，可配备大视场和小视场探测镜头各1个，在大散射角照射、小视场接收，或小散射角照射、大视场接收的工作模式下进行测量。

3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于：所述可见光光源为全谱段可见光光源，通过偏振镜组可输出无偏光和3个偏振态的输出光，所述激光光源可输出3个偏振态的光。

4.根据权利要求1-3任一项所述的测量系统，其特征在于：所述可见光光源包括依次设置的抛物面反射镜、卤钨灯或氙灯、一次准直透镜、偏振镜组、汇聚透镜、二次准直透镜，其中一次准直透镜和汇聚透镜共同用于压缩和准直光路，从而保证偏振镜组入射的光的角度在较小的范围内，进而保证偏振镜组起偏光的质量，偏振组镜生成偏振光，二次准直透镜可输出准直光，并且与汇聚透镜间的距离可调，用于生成大小不同的发散角。

5.根据权利要求4所述的可见光光源，其特征在于，二次准直透镜工作在定焦和离焦两种模式，分别生成小发散角和大发散角照射光，所述偏振镜组包括前置镜、滤光片、相位延迟器、偏振片、后置镜，所述滤光片采用液晶可调滤光片或声光可调滤光片，所述相位延迟器采用液晶相位延迟器，通过控制液晶相位延迟器的电压，设置不同的相位延迟值，可实现对光的偏振态的控制，前置镜的作用是将入射光限定在一定的入射角度范围内。

6.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于：所述滤光片通过电控方式实现滤光，控制相位延迟器产生4个相位延迟量，配合滤光片生成4个偏振态的照射光。

7.根据权利要求1-6任一项所述的测量系统，其特征在于：所述激光光源包括依次设置的激光器、目镜、物镜和发散透镜，目镜和物镜构成倒置的望远镜系统，对激光器发出的光进行扩束，当需要大发散角照射，小视场接收时，使用发散透镜对激光束进行发散。

8.根据权利要求1-7任一项所述的测量系统，其特征在于：所述旋转摆扫具体为在入射光镜像方向采用同轴圆形或椭圆形扫描由里及外，由密到疏进行扫描；扫描长轴越过天顶后，采用单侧回摆扫描。

9.根据权利要求1-8任一项所述的测量系统的测量方法，其特征在于：依据扫描流程对被试品上半球空间的反射光数个偏振态光的亮度进行扫描；当采用PG模型，探测模式为无偏光入射，分析仪对S0和S1进行探测，共进行2次全周期扫描；当采用偏振光照射，分析仪进行1个全偏振探测和2个单次偏振探测，共计进行3次全周期扫描；采用全偏振态照射，分析仪分别进行S0-S1、S1、S2-S3、S3探测，共计进行4次全周期扫描；依据数据处理流程对测量的数据进行处理，形成完备的16个组元的二向反射分布及分布函数。

10.根据权利要求9的测量方法，其特征在于：S0、S1、S2、S3入射和探测分别表示无偏光、0°偏振光、45°偏振光和圆偏振光，1)当偏振二向反射分布模型为PG模型或与PG模型相关的模型时，首先采用S0入射，S0、S1依次进行探测，经过测试后可依次求解f00和f01；由f01和f00之间的比值得到偏振度，由偏振度计算复折射率，由复折射率计算穆勒矩阵；最后在穆勒矩阵的基础上叠加分布函数，形成偏振二向反射分布；2)当可见光光源方便输出无偏光，并且偏振二向反射分布可认为f02、f03、f12、f13、f20、f21、f30、f31为0时，首先将入射光调整为无偏光S0，对S0和S1进行探测，分别得到f00和f01，然后对采用S1入射，采用S1探测，得到f11；随后将入射光调整之S2，分别采用S2、S3探测，得到f22和f23；接着采用S3照射S3探测的方式得到f33；最后通过填充，得到补全后的偏振二向反射特性；3)当入射光采用激光或者可见光光源不方便输出无偏光时，首先采用S2入射，分别采用S0、S1、S2、S3进行全偏振探测，可得到f00、f10、f22、f32；然后采用S1和S3入射，对应S1和S3探测，得到f11和f33；最后通过填充，得到补全后的偏振二向反射特性；4)第4种测试和数据处理流程与第3中相似：首先采用S3入射，分别采用S0、S1、S2、S3进行全偏振探测，得到f00、f10、f32和f33；然后采用S1和S2入射，对应S1和S3探测，得到f11和f23；最后通过填充，得到补全后的偏振二向反射特性。

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