CN207908363U - 一种双向散射分布测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双向散射分布测量装置，包括第一基座和第二基座，所述的第一基座上设置绕水平轴线转动的第一旋转臂，所述的第二基座上设置有绕垂直轴线旋转的第二旋转臂，所述的第二旋转臂还设置有绕垂直轴线旋转的样品旋转台和绕水平轴线旋转的第三旋转臂；所述第一旋转臂的一端设置入射光源并且所述的第三旋转臂一端设置有探测单元，或者所述第一旋转臂的一端设置探测单元并且所述的第三旋转臂一端设置有入射光源；在所述的第一基座上设置激光定位单元，所述的激光定位单元发出的激光穿过第一旋转臂，并且激光光轴与水平轴线同轴。该测量装置可自动完成全空间连续的双向散射分布测量，具有操作便捷、自动化程度高和测量准确度高等优点。

Description

一种双向散射分布测量装置

【技术领域】

本实用新型涉及散射分布测量领域，具体涉及一种双向散射分布测量装置。

【背景技术】

双向散射分布函数(BSDF)为描述光照射到材料表面后往不同方向的散射物理量，包括双向反射分布函数(BRDF)测量和双向透射分布函数(BTDF)。对于双向散射分布测量装置，一般要求光源的发散角尽可能小；光源、探测器和样品的定位精度尽可能高，角度分辨率尽可能高；且测量结果不受光源、环境光等影响。

传统测量双向散射分布的方法主要有以下几种：第一种是设置多个固定角度的光源或探测器，这种固定设计的方法只能测量几个固定角度的反射分布或透射分布；第二种是将探测器或光源设置在弧形轨道上，实现探测器和光源相对被测样品的空间运动，或者探测器和被测样品相对光源的空间相对运动，这种测量方法的弧形轨道定位精度不高且测量的结果易受光源波动的影响。

目前，测量物体反射分布和透射分布的装置仍存在测试效率低和定位精度不高等问题，影响测量结果。

【实用新型内容】

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种双向散射分布测量装置，利用定位装置对待测样品进行定位，对入射光源进行实时监测，通过机械旋转臂实现全空间的双向散射分布函数的测量，具有测试效率高、测量准确度高等优点。

本实用新型公开一种双向散射分布测量装置，包括第一基座和第二基座，所述的第一基座上设置绕水平轴线转动的第一旋转臂，所述的第二基座上设置有绕垂直轴线旋转的第二旋转臂，所述的第二旋转臂还设置有绕水平轴线旋转的第三旋转臂和绕垂直轴线旋转的样品旋转台，所述第一旋转臂的一端设置入射光源并且所述的第三旋转臂一端设置有探测单元，或者所述第一旋转臂的一端设置探测单元并且所述的第三旋转臂一端设置有入射光源；所述的第一基座上设置有激光定位单元，所述的激光定位单元发出的激光穿过第一旋转臂，并且激光光轴与水平轴线同轴；所述的第一基座上还设置与所述第一旋转臂、第二旋转臂、第三旋转臂、样品旋转台、入射光源和探测单元电连接的测控中心；所述第一旋转臂、第二旋转臂、第三旋转臂、样品旋转台均由相对独立的旋转驱动机构驱动。所述的测控中心控制第一旋转臂、第二旋转臂、第三旋转臂和样品旋转台相对独立的旋转驱动机构，从而控制上述各单元的旋转和定位。

本实用新型通过第一旋转臂、第二旋转臂、第三旋转臂和样品旋转台实现四个自由度的转动，通过它们的相互旋转配合，可实现全空间的双向散射分布测量；利用激光定位单元对样品台进行高度定位，保证入射光源和探测单元始终围绕样品中心旋转，避免系统调试过程中的对准误差，以及不同厚度的待测样品测量点不同带来的测量误差。相对于现有技术，本实用新型提供的双向散射分布测量装置具有自动化程度高、操作方便、测量准确度高、应用范围广等特点。

本实用新型还可通过以下技术方案进一步限定和完善：

作为一种技术方案，所述的样品旋转台包括样品台、样品转动机构和垂直调节单元；所述的样品台设置在样品转动机构上，且所述的样品转动机构通过垂直调节单元与第二旋转臂连接。所述的样品转动机构可以是旋转齿轮，通过齿轮啮合的方式带动样品台沿垂直轴线旋转；或者所述的样品转动机构是传送皮带，通过皮带传动的方式带动样品台沿垂直轴线旋转。所述的样品台的旋转轴线与第二旋转臂的旋转轴线同轴。所述的垂直调节单元用于调节样品旋转台的高度，从而调整样品表面中心高度，使得样品高度与系统的水平轴线等高；垂直调节单元包括垂直导轨和垂直移动基座，垂直移动基座可以是电动驱动的，也可以是手动调节旋钮，垂直移动基座与控制样品转动机构和样品台相连，带动它们沿垂直方向上下移动。

作为优选，所述的样品台还包括固定待测样品的夹具。夹具的设置可避免测量过程中待测样品的移动。

作为一种技术方案，所述入射光源的入射光束为准直光束或者所述入射光源的入射光束为会聚光束，且入射光束的光轴始终对准样品台中心。本实施例中，入射光源可以以平行光或者会聚光的形式照射在待测样品表面，满足多样化的照明需求。一方面，入射光光轴始终对准样品台中心可保证测量点的一致性；另一方面，可将入射光光线与激光定位单元发出的激光的交点作为待测样品中心点的定位参考点，从而保证不同厚度的待测样品的中心点在同一位置。

作为一种技术方案，所述的入射光源为一种及以上不同波长的单色光源组合，或者所述的入射光源为宽波段光源。在实际应用中，不同的待测样品对入射光源要求不同，可根据具体的照明要求设置相应的入射光源，并通过测控中心控制入射光源的开关和发光功率，从而满足不同类型待测样品的照明需求。作为优选，所述的单色光源为激光光源或单色LED光源或单色仪。作为优选，所述的宽波段光源为白炽灯或LED白光光源。

作为一种技术方案，所述的入射光源旁边还可设置监测单元，所述的监测单元包括分光部件和监测探头，所述的分光部件设置在入射光源的入射光路上。分光部件的引入可将入射光源的入射光束分成两部分，一部分光束被监测探头接收并测量，另一部分入射光照射至待测样品表面。利用监测单元对入射光源进行实时监测，可以对测量结果进行校正，可有效避免入射光源的波动引起的测量误差，提高测量准确度。作为优选，所述的分光部件为半透半反镜或者窗镜。作为优选，所述的监测探头为光谱仪。

上述技术方案中，还可在分光部件与监测探头中间的光路上设置聚焦透镜和光阑，聚焦透镜将分光部件分出的一部分光束聚焦至光阑并传输到监测探头，设置光阑的目的是为了消除不必要的杂散光，提高测量的准确度。

作为一种技术方案，所述的探测单元包括反射镜、孔径光阑、聚焦透镜和探测器；所述反射镜将经待测样品表面作用后的光线反射至孔径光阑，且所述的聚焦透镜将孔径光阑的出射光束聚焦到探测器上。在反射镜和聚焦透镜之间的光路上引入孔径光阑，一方面是为了限制测量孔径，从而对测量立体角Ω进行限定，利于测量结果的计算分析；另一方面，所述孔径光阑可消除不必要的杂散光。本方案中，所述的孔径光阑也可以设置在聚焦透镜和探测器之间的光路上。作为优选，所述的反射镜为平面反射镜或者反射棱镜。

作为一种技术方案，所述的探测器为单通道光电探测器或者所述的探测器是测量光谱功率分布的光谱仪。所述的单通道光电探测器为硅光电池或铟砷化镓光电二极管，其中硅光电池适用于紫外-可见光波段的光线检测，铟砷化镓光电二极管适用于近红外波段的光线检测。当入射光源的波长范围涵盖波长范围较广时，也可引入积分球，所述积分球包括一个入射孔和两个出射孔，测量光线经入射孔进入积分球，并将硅光电池和铟砷化镓光电二极管分别设置在积分球的两个出射孔上，从而满足紫外-可见-近红外波段的光线测量。

作为一种技术方案，所述的测控中心包括人机交互单元，人机交互单元位于第一基座内部。在测控中心设置人机交互单元，可设置测量参数，如入射光源的波长及发光功率，测量角度范围等，同时所述人机交互单元还可用于实时显示测量结果。

综上所述，本实用新型通过第一旋转臂、第二旋转臂、第三旋转臂和样品旋转台的相互旋转配合，实现全空间的双向散射分布测量；通过测控中心控制自动完成测试过程，操作方便；利用入射光源和激光定位单元，对待测样品进行高度定位；设置监测单元对入射光源进行实时监测；整个测量装置通过合理设计，适用于各种物体或材料的双向散射分布测量，具有操作便捷、应用范围广、测量准确度高等特点。

【附图说明】

附图1为本实用新型测量原理示意图。

附图2为实施例1测量装置示意图。

附图3为实施例1探测单元的探测器结构示意图。

附图4为实施例1监测单元结构示意图。

附图5为实施例2测量装置示意图。

第一基座—1；第二基座—2；第一旋转臂—3；入射光源—4；探测单元—5；第二旋转臂—6；样品旋转台—7；样品台—7-1；样品转动机构—7-2；垂直调节单元—7-3；第三旋转臂—8；激光定位单元—9；测控中心—10；夹具—11；反射镜—12；孔径光阑—13；聚焦透镜—14；探测器—15；监测单元—16；分光部件—17；监测探头—18；人机交互单元19；透镜—20；消光光阑—21。

【具体实施方式】

下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，但本实用新型不仅限于以下实施例。

实施例一：

如图2、图3和图4所示，本实施例公开了一种双向散射分布测量装置，包括第一基座1和第二基座2；所述的第一基座1上设置有激光定位单元9和绕水平轴线转动的第一旋转臂3，所述的激光定位单元9发出的激光穿过第一旋转臂3，并且激光光轴与水平轴线同轴；所述的第二基座2上设置有绕垂直轴线旋转的第二旋转臂6，所述的第二旋转臂6还设置有绕垂直轴线旋转的样品旋转台7和绕水平轴线旋转的第三旋转臂8；所述的样品旋转台7包括样品台7-1、样品转动机构7-2和垂直调节单元7-3；所述的样品台7-1设置在样品转动机构7-2上，且所述的样品转动机构7-2通过垂直调节单元7-3 与第二旋转臂6连接，所述的垂直调节单元7-3包括调节旋钮和垂直移动基座；所述样品台7-1还包括固定待测样品的夹具11，待测样品通过夹具11固定在样品台7-1上，所述待测样品为塑料；所述的第一基座1上还设置与所述第一旋转臂3、第二旋转臂6、第三旋转臂8、样品旋转台7、入射光源4和探测单元5电连接的测控中心10；所述的测控中心10包括人机交互单元19，人机交互单元19位于第一基座1内部；所述第一旋转臂3的一端设置入射光源4且所述的第三旋转臂8一端设置有探测单元5；所述的入射光源4旁边设置监测单元16。

本实施例中，所述第一旋转臂3和第三旋转臂8的旋转范围均为-180°～+180°，所述第二旋转臂6和样品台7-1的旋转范围均为0°～360°；所述的第一旋转臂3、第二旋转臂6、第三旋转臂8的角度分辨率均为±0.01°。

本实施例中，所述的入射光源4为五个不同波长的激光光源，波长分别为包括360nm、405nm、660nm、780nm和1064nm。所述入射光源4的入射光束以会聚光的形式照射在待测样品表面，且入射光束的会聚点始终位于待测样品中心。

本实施例中，所述的探测单元5包括反射镜12、孔径光阑13、聚焦透镜14和探测器15，所述探测器15包括硅光电池15-2、铟砷化镓光电二极管15-3和积分球15-1，所述积分球15-1包括三个开孔，入射孔接收经过聚焦透镜14和孔径光阑13的测量光束，硅光电池15-2和铟砷化镓光电二极管15-3分别设置在两个探测孔处，测量被积分球15-1 接收的测量光束；所述积分球15-1入射孔直径设为10mm；所述探测器15的动态范围均为10⁹。

本实施例中，所述监测单元16包括分光部件17和监测探头18，在分光部件17与监测探头18中间的光路上还设置有透镜20和用于消除杂散光的消光光阑21，所述的监测探头18为光谱仪；所述的分光部件17为半透半反镜。入射光源4的入射光束经半透半反镜后的反射光经过透镜20和消光光阑21被监测探头18接收并测量。

在测量前，首先对样品旋转台7进行高度定位，打开入射光源4和激光定位单元9，此时入射光源4发出的入射光和激光定位单元9发出的激光会形成一个交点，调节垂直调节单元7-3，使得待测样品中心与所述交点重合，则视为定位完成。

测量过程中，由测控中心10控制第一旋转臂3，带动入射光源4对待测样品进行不同角度的照射；同时有测控中心10控制第二旋转臂6和第三旋转臂8，带动探测单元5 在相应的反射方向或透射方向接收经待测样品作用后的光线并进行测量；当第二旋转臂 6旋转时，第三旋转臂8和样品旋转台7都随着第二旋转臂6发生了角度旋转，此时可控制样品转动机构7-2将样品台回转至原始位置，避免待测样品位置变化对测量结果的影响；由人机交互单元19显示测量结果。

本实施例所述的双向散射分布测量装置可全自动实现待测样品在紫外、可见和近红外单色光照射下的双向散射分布测量。

实施例二：

如图5所示，本实施例公开一种双向散射分布测量装置，与实施例一的不同之处在于：

本实施例中，所述第一旋转臂3的一端设置探测单元5且所述的第三旋转臂8一端设置有入射光源4。

本实施例中，所述入射光源4旁边设有监测单元16；所述的监测单元16包括分光部件17和监测探头18，所述的分光部件17为窗镜，所述的监测探头18为硅光电池；所述入射光源4的入射光束经过窗镜，一部分光束被监测探头18接收并测量，另一部分光束作为入射光束被传输至待测样品表面。

本实施例中，所述的入射光源4为LED白光光源，所述入射光源4的入射光束以平行光的形式照射在待测样品表面，且入射光的光轴始终对准待测样品中心。

本实施例中，在第一基座1上设有激光定位单元9-1，发出的激光穿过第一旋转臂3，且激光光轴与第一旋转臂3的水平轴线同轴；所述的第二基座2上还设有激光定位单元9-2，其激光光轴与第二旋转臂6的垂直旋转轴和样品台7-1的垂直旋转轴同轴。

本实施例中，所述的探测单元5包括反射镜12、孔径光阑13、聚焦透镜14和探测器15，所述的探测器15为测量光谱功率分布的光谱仪。

本实施例中，所述的待测样品为透明玻璃。

本实施例中，将激光定位单元9-1发射激光和激光定位单元9-2发射激光所形成的交点作为样品旋转台7高度定位的参考点，即通过垂直调节单元7-3，使得待测样品中心与所述交点重合。

本实施例所述的测量装置可全自动实现待测样品在紫外、可见和近红外单色光照射下的双向散射分布测量。

本实施例所述的双向散射分布测量装置可全自动实现待测样品在白光照明下的双向散射分布测量。

以上两个实施例均适用于其他固体或液体样品的双向散射分布测量，其中液体样品可通过其他容器装载并通过夹具固定在样品台7-1上，具有适用范围广、测试效率高且测量准确度高等优点。

以上实施例一与实施例二对本实用新型的技术方案作了具体说明，但实施例一与实施例二的技术方案不仅限于这些说明，本实用新型的保护范围由权利要求书限定，任何在本实用新型权利要求基础上的简单改动都包括于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种双向散射分布测量装置，其特征在于包括第一基座(1)和第二基座(2)，所述的第一基座(1)上设置绕水平轴线转动的第一旋转臂(3)，所述的第二基座(2)上设置有绕垂直轴线旋转的第二旋转臂(6)，所述的第二旋转臂(6)还设置有绕垂直轴线旋转的样品旋转台(7)和绕水平轴线旋转的第三旋转臂(8)；所述第一旋转臂(3)的一端设置入射光源(4)并且所述的第三旋转臂(8)一端设置有探测单元(5)，或者所述第一旋转臂(3)的一端设置探测单元(5)并且所述的第三旋转臂(8)一端设置有入射光源(4)；所述的第一基座(1)上设置有激光定位单元(9)，所述的激光定位单元(9)发出的激光穿过第一旋转臂(3)，并且激光光轴与水平轴线同轴；所述的第一基座(1)上还设置与所述第一旋转臂(3)、第二旋转臂(6)、第三旋转臂(8)、样品旋转台(7)、入射光源(4)和探测单元(5)电连接的测控中心(10)；所述第一旋转臂(3)、第二旋转臂(6)、第三旋转臂(8)、样品旋转台(7)均由相对独立的旋转驱动机构驱动。

2.如权利要求1所述的双向散射分布测量装置，其特征在于，所述的样品旋转台(7)包括样品台(7-1)、样品转动机构(7-2)和垂直调节单元(7-3)；所述的样品台(7-1)设置在样品转动机构(7-2)上，且所述的样品转动机构(7-2)通过垂直调节单元(7-3)与第二旋转臂(8)连接。

3.如权利要求2所述的双向散射分布测量装置，其特征在于，所述的样品台(7-1)还包括固定待测样品的夹具(11)。

4.如权利要求1所述的双向散射分布测量装置，其特征在于，所述入射光源(4)的入射光束为准直光束或者所述入射光源(4)的入射光束为会聚光束，且入射光束的光轴始终对准样品台(7-1)中心。

5.如权利要求1或4所述的双向散射分布测量装置，其特征在于，所述的入射光源(4)为一种及以上不同波长的单色光源组合，或者所述的入射光源(4)为宽波段光源。

6.如权利要求1所述的双向散射分布测量装置，其特征在于，所述的入射光源(4)旁边设置监测单元(16)；所述的监测单元(16)包括分光部件(17)和监测探头(18)；所述的分光部件(17)设置在入射光源(4)的入射光路上。

7.如权利要求1所述的双向散射分布测量装置，其特征在于，所述的探测单元(5)包括反射镜(12)、孔径光阑(13)、聚焦透镜(14)和探测器(15)；所述反射镜(12)将经待测样品表面作用后的光线反射至孔径光阑(13)，且所述的聚焦透镜(14)将孔径光阑(13)的出射光束聚焦到探测器(15)上。

8.如权利要求7所述的双向散射分布测量装置，其特征在于，所述的探测器(15)为单通道光电探测器或者所述的探测器(15)是测量光谱功率分布的光谱仪。

9.如权利要求1所述的双向散射分布测量装置，其特征在于，所述的测控中心(10)包括人机交互单元(19)，所述的人机交互单元(19)位于第一基座(1)内部。