CN114965370A - 一种基于层析成像的双向反射分布函数(brdf)高精度测量方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于层析成像的双向反射分布函数(BRDF)高精度测量方法与系统，属于双向反射分布函数测量技术领域，用于材料不同照明和探测角度的反射光谱分布测量。现有BRDF测量方法普遍受到探测光路通光口径大小的影响，高空间分辨率和高信号信噪比不可兼得。本发明采用层析成像与BRDF相结合的方式，使BRDF测量的空间分辨率不再依赖于通光孔径大小，同时获得高空间分辨率和高信号信噪比。具体测量时，将被测曲面划分为离散网格，利用光线追迹的方式计算探测信号与离散网格间的灵敏度矩阵，然后利用基于灵敏度矩阵的层析成像方法，实现具有离散网格相同分辨率的BRDF重建。该方法与系统实现了BRDF的完备测量，在材料光学参数测量方面具有广阔应用前景。
Description
(一)技术领域
本发明提出一种基于层析成像的双向反射分布函数(BRDF)高精度测量方法与系统，属于双向反射分布函数测量技术领域。该方法与系统将层析成像技术与BRDF相结合，消除探测系统通光孔径大小对BRDF空间分辨的影响，实现BRDF高分辨重建。
(二)背景技术
双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF)是一种表示材料表面空间反射特性的基本物理量，描述了来自指定方向的入射光线经过材料表面反射到空间各个方向的反射光分布，定义为目标在某一方向的反射亮度与入射方向照度的比值。
传统的BRDF探测光路通光口径为圆形，探测面难以完整覆盖整个BRDF半球空间，并且在通光口径大时，测量信噪比高但空间分辨率低，而在通光口径小时，空间分辨率高而测量信噪比低。本发明采用层析成像与BRDF相结合的方式，使BRDF测量的空间分辨率不再依赖于通光孔径大小，BRDF空间分辨率受离散网格划分和探测面中心位置间距直接影响，可在大通光口径的条件下时间高空间分辨测量，从而同时获得高空间分辨率和高信号信噪比，并且离散网格划分完整覆盖整个被测半球空间，实现具有离散网格同分辨率的BRDF完备测量。
(三)发明内容
针对传统BRDF探测方法普遍受到探测光路通光口径大小影响的问题，本发明提出一种基于层析成像的双向反射分布函数(BRDF)高精度测量方法与系统，该方法采用层析成像与BRDF测量相结合的方式，使得BRDF测量的空间分辨率不再依赖于通光孔径大小，同时获得高空间分辨率和高信号信噪比。
该系统由信号发生器、激光光源、分光镜、被测样片、六轴机械臂、圆形环轨、光学汇聚透镜、光电探测器、锁相放大器和上位机组成；由信号发生器驱动激光器，发出强度周期性变化的激光，由分光镜分成两束，一束由光学汇聚透镜、光电探测器直接探测，另一束照射在被测样片表面，被测样片安装在六轴机械臂上，反射光通过光学汇聚透镜、光电探测器安装在圆形环轨上，通过六轴机械臂和圆形环轨的转动，获得不同照明和探测角度的探测信号，通过锁相放大实现探测面反射强度测量，上传至上位机；在上位机内实现层析成像，将BRDF被测曲面划分为离散网格，各网格内的反射系数视为相同，利用光线追迹的方式计算各组探测面反射强度与离散网格间的灵敏度，构建探测面反射强度-离散网格反射系数间的灵敏度矩阵，并利用基于灵敏度矩阵的层析成像方法，从探测面反射强度求解离散网格内的反射系数，实现具有离散网格相同分辨率的BRDF重建，具体测量步骤如下：
步骤一：按照权利要求1所述的一种基于层析成像的BRDF高精度测量方法与系统，其特征在于，利用激光光强调制与探测信号锁相放大，测量材料反射信号，并通过六轴机械臂和环轨，实现不同照射和探测角度的探测面反射强度高精度测量；首先信号发生器驱动激光器，发出强度周期性变化的激光，辐亮度为Li(λ)，其中，λ为激光波长，激光由分光镜分成两束，一束由光学汇聚透镜、光电探测器直接探测，锁相放大后探测信号幅值为Vc(λ)，ac-i(λ)＝Vc(λ)/Li(λ)，比例系数ar-i(λ)可预先测得，另一束激光照射在样片表面，入射方向为
其中，
和θi分别为半球空间的入射方位角和天顶角，光学汇聚透镜中心距离被测样片上的激光照射点距离为R，并放置于
的反射方向，其中，
和θr分别为半球空间的反射方位角和天顶角，反射光通过光学汇聚透镜汇聚，被光电探测器探测，通过锁相放大器锁相后探测信号幅值为
然后，通过六轴机械臂和环轨的控制，保持激光在被测样片上的
θi和照射点不变，使得
θr分别在以下范围内变化：
其中，
和
分别为设置的被测空间的最小和最大方位角，θmin和θmax分别为设置的被测空间的最小和最大天顶角，D为角划分份数，为使得探测面的测量信号之间相互重叠，为层析成像提供条件，需要保证光学汇聚透镜半径
θ一一组合可获得D2个探测信号幅值，可表示为一维列向量：
步骤二：按照权利要求1所述的一种基于层析成像的BRDF高精度测量方法与系统，其特征在于，通过光线追迹计算探测面反射强度-离散网格间的灵敏度矩阵，并利用基于灵敏度的层析成像方法实现具有离散网格相同分辨率的BRDF重建；首先将BRDF曲面划分为离散网格，网格划分与探测面中心位置
θ相同，即BRDF曲面方向角和天顶角分别划分为
和θ，则BRDF划分为D2个网格，
时，网格足够小，每个网格中的反射系数视为定值，则具有离散网格相同分辨率的反射强度分布可表示为：
然后计算探测面反射强度与离散网格间的灵敏度矩阵，当入射方向为
反射方向为
时，计算激光器、被测样片、探测面的几何和光学位置关系，使亮度分布均匀且强度相等的光线分别单独第k个离散网格，由第l个探测位置的探测面探测，通过光线追迹计算探测面光通量大小，用Sl,k表示，即为第k个离散网格对第l个探测位置的灵敏度，可写成灵敏度矩阵形式：
则Vr，
和S之间满足：
通过基于灵敏度的层析成像方法可从上式中求解
使用利用联立代数重建算法(SART)进行图像重建：
其中，b是松弛因子，n是迭代次数，当满足重建误差条件时停止迭代，重建误差条件为：
其中，σ是设置的最大允许误差，从而完成离散网格内的反射强度分布
的计算；
最后根据BRDF定义，可实现具有离散网格相同分辨率的BRDF重建：
其中ωi为入射光的立体角。
(四)附图说明
图1是基于层析成像的双向反射分布函数高精度测量方法与系统的一种典型结构图，由以下部分构成：信号发生器(101)、激光器组(102)、分光镜(103)、光学汇聚透镜1(104)、光电探测器1(105)、锁相放大器1(106)、数据采集系统(107)、上位机(108)、圆形环轨(109)、六轴机械臂(110)、被测样片(111)、光学汇聚透镜2(112)、光电探测器2(113)和锁相放大器2(114)。
图2是基于层析成像的双向反射分布函数重建过程流程图。
图3是探测面反射强度与离散网格间的灵敏度矩阵。
图4是直接测量BRDF、基于层析成像的BRDF和真实分布间的对比图。
(五)具体实施方式
下面结合实例对本发明作进一步说明。
本发明的结构如图1所示，信号发生器(101)驱动激光器组(102)发出强度周期性变化的激光，由分光镜(103)分成两束，一束由光学汇聚透镜1(104)、光电探测器1(105)探测，并利用锁相放大器1(106)锁相，通过数据采集系统(107)采样后传输至上位机(108)，另一束光测量被测样片反射强度，上位机(108)控制圆形环轨(109)和六轴机械臂(110)运动，使得被测样片(111)具有不同的照射和探测角度，反射光由光学汇聚透镜2(112)、光电探测器2(113)探测，并利用锁相放大器2(114)锁相，同样通过数据采集系统(107)采样后传输至上位机(108)，在上位机上实现层析成像，具体的基于层析成像的双向反射分布函数重建过程流程图如图2所示，包括以下步骤：
步骤一：本实例以近似朗伯体的黑漆平面样片为例，激光波长λ＝10.6μm，ac-i(λ)＝0.2。通过光电探测和锁相放大得Vc(λ)＝2V，入射方位角
为0°至180°，间隔为10°入射天顶角为0°。反射最小方位角
和最大方位角
最小天顶角θmin＝-90°和最大天顶角θmax＝90°，角划分份数D＝36。从而计算探测面反射强度分布Vr。
步骤二：将BRDF曲面划分为离散网格，网格划分与探测面中心位置
θ相同，设为
利用光线追迹计算灵敏度矩阵。以
为例，灵敏度矩阵如图3所示。利用SART算法进行层析成像，实现具有离散网格相同分辨率的BRDF重建，记为fr。以入射方位角、天顶角为0°，轴向离散网格重建分布为例，设定分布、探测面反射强度分布和层析成像重建BRDF分布如图4所示，可以看出层析成像重建BRDF分布消除探测系统通光孔径大小对BRDF空间分辨的影响，与设定分布相符。
以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造地设计出与该技术方案类似的结构或实施例，均属本发明保护范围。
Claims (3)
1.一种基于层析成像的双向反射分布函数(Bidirectional ReflectanceDistribution Function,BRDF)高精度测量方法与系统，该系统由信号发生器、激光光源、分光镜、被测样片、六轴机械臂、圆形环轨、光学汇聚透镜、光电探测器、锁相放大器和上位机组成；由信号发生器驱动激光器，发出强度周期性变化的激光，由分光镜分成两束，一束由光学汇聚透镜、光电探测器直接探测，另一束照射在被测样片表面，被测样片安装在六轴机械臂上，反射光通过光学汇聚透镜、光电探测器安装在圆形环轨上，通过六轴机械臂和圆形环轨的转动，获得不同照明和探测角度的探测信号，通过锁相放大实现探测面反射强度测量，上传至上位机；在上位机内实现层析成像，将BRDF被测曲面划分为离散网格，各网格内的反射系数视为相同，利用光线追迹的方式计算各组探测面反射强度与离散网格间的灵敏度，构建探测面反射强度-离散网格反射系数间的灵敏度矩阵，并利用基于灵敏度矩阵的层析成像方法，从探测面反射强度求解离散网格内的反射系数，实现具有离散网格相同分辨率的BRDF重建。
2.按照权利要求1所述的一种基于层析成像的BRDF高精度测量方法与系统，其特征在于，利用激光光强调制与探测信号锁相放大，测量材料反射信号，并通过六轴机械臂和环轨，实现不同照射和探测角度的探测面反射强度高精度测量；首先信号发生器驱动激光器，发出强度周期性变化的激光，辐亮度为Li(λ)，其中，λ为激光波长，激光由分光镜分成两束，一束由光学汇聚透镜、光电探测器直接探测，锁相放大后探测信号幅值为Vc(λ)，ac-i(λ)＝Vc(λ)/Li(λ)，比例系数ar-i(λ)可预先测得，另一束激光照射在样片表面，入射方向为
其中，
和θi分别为半球空间的入射方位角和天顶角，光学汇聚透镜中心距离被测样片上的激光照射点距离为R，并放置于
的反射方向，其中
和θr分别为半球空间的反射方位角和天顶角，反射光通过光学汇聚透镜汇聚，被光电探测器探测，通过锁相放大器锁相后探测信号幅值为
然后，通过六轴机械臂和环轨的控制，保持激光在被测样片上的
θi和照射点不变，使得
θr分别在以下范围内变化：
其中，
和
分别为设置的被测空间的最小和最大方位角，θmin和θmax分别为设置的被测空间的最小和最大天顶角，D为角划分份数，为使得探测面的测量信号之间相互重叠，为层析成像提供条件，需要保证光学汇聚透镜半径
θ一一组合可获得D2个探测信号幅值，可表示为一维列向量：
3.按照权利要求1所述的一种基于层析成像的BRDF高精度测量方法与系统，其特征在于，通过光线追迹计算探测面反射强度-离散网格间的灵敏度矩阵，并利用基于灵敏度的层析成像方法实现具有离散网格相同分辨率的BRDF重建；首先将BRDF曲面划分为离散网格，网格划分与探测面中心位置
θ相同，即BRDF曲面方向角和天顶角分别划分为
和θ，则BRDF划分为D2个网格，
时，网格足够小，每个网格中的反射系数视为定值，则具有离散网格相同分辨率的反射强度分布可表示为：
然后计算探测面反射强度与离散网格间的灵敏度矩阵，当入射方向为
反射方向为
时，计算激光器、被测样片、探测面的几何和光学位置关系，使亮度分布均匀且强度相等的光线分别单独第k个离散网格，由第l个探测位置的探测面探测，通过光线追迹计算探测面光通量大小，用Sl,k表示，即为第k个离散网格对第l个探测位置的灵敏度，可写成灵敏度矩阵形式：
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其中，σ是设置的最大允许误差，从而完成离散网格内的反射强度分布
的计算；
最后根据BRDF定义，可实现具有离散网格相同分辨率的BRDF重建：
其中ωi为入射光的立体角。
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| CN202210450427.6A CN114965370B (zh) | 2022-04-24 | 2022-04-24 | 一种基于层析成像的双向反射分布函数高精度测量方法 |
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