CN209513614U - 一种新型双向反射分布函数快速测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型双向反射分布函数快速测试系统，半球型测试暗室的顶部设有通光孔，通光孔的正上方设有测试光源；半球型测试暗室的内球面上紧密排布有多个光电探测器，所有光电探测器与信号处理系统相连；半球型测试暗室内设有四维工作转台，待测样品通过样品支撑部件安装在四维工作转台上，四维工作转台带动待测样品水平面旋转和垂直面旋转；测试光源的光束经准直后，经通光孔入射至待测样品上；入射光经待测样品散射后，散射光信号被光电探测器接收，光电探测器输出信号至信号处理系统进行处理，得到待测样品的双向反射分布函数。本实用新型可实现2π半球空间范围内样品双向反射分布函数的快速测量，测量精确度高。

Description

一种新型双向反射分布函数快速测试系统

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，具体涉及一种新型双向反射分布函数快速测试系统。

背景技术

双向反射分布函数(BRDF)是由美国学者Nicodemus于1970年提出，它表示了不同入射条件下物体表面在任意反射角的反射特性，如图1所示。双向反射分布函数是描述材料漫反射特性的重要函数，它是光辐射的反射幅亮度和入射辐照度的比值；其数学表达式为：

其中θ_i,为入射光的入射角和方位角，θ_r,为反射光的反射角和方位角。L_r是测试面元dA经过照射后在θ_r,方向上的辐亮度；E_i是θ_i,方向上入射光产生的表面辐照度。f_r是沿着方向θ_r,出射的辐照亮度和与沿着入射方向θ_i,入射在被测样品表面产生的辐射照度之比，双向反射分布函数是入射角θ_i,、反射角θ_r,和波长λ的函数，它由样品表面粗糙度、介电常数、照射波长、偏振等因素决定。可见，测量样品表面的双向反射分布函数可以将入射到测试样品表面的背景幅照度与样品对背景辐射的漫反射亮度联系起来，进而可以用来分析目标的光反射特性。

目前常用的BRDF测量装置有两种：一种是采用双圆弧轨道实现半球范围内方位角和入射角度的探测，如专利《一种测量物体表面双向反射分布的装置》，专利号：2009200033317.X，这种测量方法的局限性在于圆弧轨道遮光影响其测量结果以及受圆弧轨道加工精度不高，直接会影响到测量角度的定位精度不高，进而导致整个系统测量可靠性降低。

另一种装置采用光源固定，样品使用四维机械手固定，光电探测器可以安装在垂直面内做±180°旋转的方式完成对入射角和反射角的测量。如专利《一种新型双向反射分布函数测量装置》，专利号：201210075733.2，但是这种方式的局限性在于光电探测器接收面小，要求反射光束扩散角很小，这就意味着只能进行镜面物体表面的散射，如果是粗糙表面则很难实现散射到整个半球空间的各个光信号的采集，导致信号误差。

由上可知，目前测量表面双向反射分布的装置问题主要有：1、难以在线进行整个2π半球空间内反射数据的测量；2、测试精度较差，测试系统重复误差加大；3、系统制造工艺复杂。

实用新型内容

针对上述问题中存在的不足之处，本实用新型提供一种新型双向反射分布函数快速测试系统，其可通过四维工作转台改变样品姿态，实现2π半球空间范围内样品双向反射分布函数的测量。

本实用新型公开了一种新型双向反射分布函数快速测试系统，包括：半球型测试暗室；

所述半球型测试暗室的顶部设有通光孔，所述通光孔的正上方设有测试光源；

所述半球型测试暗室的内球面上紧密排布有多个所述光电探测器，所有所述光电探测器与信号处理系统相连；

所述半球型测试暗室内设有四维工作转台，待测样品通过样品支撑部件安装在所述四维工作转台上，所述四维工作转台带动所述待测样品水平面旋转和垂直面旋转。

作为本实用新型的进一步改进，所述半球型测试暗室安装在底托上构成封闭的半球腔体。

作为本实用新型的进一步改进，所述测试光源的光路上设有准直器，所述准直器对光束准直后经所述通光孔入射至所述半球型测试暗室内的待测样品上。

作为本实用新型的进一步改进，所述四维工作转台带动所述待测样品水平面360°旋转和垂直面180°俯仰。

作为本实用新型的进一步改进，所述信号处理系统包括：前置放大器、锁相位放大器和计算机；

所有所述光电探测器均与所述前置放大器相连，所述前置放大器与所述锁相位放大器相连，所述锁相位放大器与所述计算机相连。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型可以快速准确的测量物体表面的双向反射分布函数，由于光电探测器在2π半球空间内紧密排布，可以充分测试到反射光亮度，不会导致漏测、少测等测试不准的现象发生，并且根据光电探测器位置可以精准快速推算出反射光的反射角和方位角信息。

附图说明

图1为现有双向反射分布函数的测试原理图；

图2为本实用新型一种实施例公开的新型双向反射分布函数快速测试系统的结构示意图。

图中：

1、测试光源；2、准直器；3、半球型测试暗室；4、光电探测器；5、样品支撑部件；6、四维工作转台；7、前置放大器；8、锁相位放大器；9、计算机；10、底托；11、待测样品。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

基于图1所示的双向反射分布函数的测试原理，本实用新型建立了一种新型双向反射分布函数快速测试系统，其采用计算机自动控制，使得光源与样品法线形成入射角可在0-180°范围内连续变化，方位角在0-360°范围内连续变化，光电探测器可以在整个2π半球空间内探测散射光亮度及反射光角度信息，并自动快速精准完成目标物体表面双向反射分布测量。

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细描述：

如图2所示，本实用新型提供一种新型双向反射分布函数快速测试系统，包括：测试光源1、准直器2、半球型测试暗室3、光电探测器4、样品支撑部件5、四维工作转台6、前置放大器7、锁相位放大器8、计算机9和底托10；其中：

本实用新型的半球型测试暗室3扣在底托10上构成封闭的半球腔体，半球型测试暗室3与底托10固定安装。

本实用新型在半球型测试暗室3的顶部设有通光孔，通光孔的正上方设有测试光源1，测试光源1与通光孔之间的光路上设有准直器2，准直器2对测试光源1的光束准直后经通光孔入射至半球型测试暗室3内，作为待测样品11的入射光。

本实用新型在半球型测试暗室3的内球面上紧密排布有多个光电探测器4，光电探测器4与半球型测试暗室3固定安装；所有光电探测器4的探测区域可在同一时间覆盖半球型测试暗室3的半球面，待测样品11的散射光定会被光电探测器4所检测到，尤其是对大尺寸粗糙表面样品进行测试时，不会导致漏测、少测等测试不准的现象发生。

本实用新型的光电探测器4与信号处理系统相连，信号处理系统包括前置放大器7、锁相位放大器8和计算机9；所有光电探测器4均与前置放大器7相连，前置放大器7与锁相位放大器8相连，锁相位放大器8与计算机9相连；使用时，光电探测器4的输出信号经前置放大器6和锁相放大器7放大后输入计算机9，经计算机9的处理得到待测样品的双向反射分布函数。

本实用新型的四维工作转台6置于半球型测试暗室3内的底托10上，待测样品11通过样品支撑部件5安装在四维工作转台6上，样品支撑部件5为常规的样品夹具，用于夹持待测样品；样品支撑部件5可通过紧固件安装在四维工作转台6上；四维工作转台6的作用是：带动待测样品水平面旋转和垂直面旋转；具体可实现待测样品水平面360°旋转和垂直面180°俯仰，即四维工作转台6包括水平转台部和俯仰转台部，待测样品安装在俯仰转台部上，俯仰转台部安装在水平转台部上，水平转台部置于底托上，水平转台部可带动待测样品和俯仰转台部在水平面上实现360°的旋转，俯仰转台部可带动待测样品实现垂直面上180°的俯仰。上述可实现上述功能的样品支撑部件5和四维工作转台6的结构及连接关系均为现有常规结构，故在此不对其做详细阐述。

本实用新型还提供一种新型双向反射分布函数快速测试方法，包括：

测试光源的光束经准直后，经通光孔入射至半球型测试暗室内的待测样品上；入射光经待测样品散射后，散射光信号被光电探测器接收，光电探测器的输出信号经前置放大器和锁相放大器放大后输入计算机，计算机通过程序可以分析计算出反射光的角度信息和亮度信息，进一步计算得到待测样品的双向反射分布函数；其中：

四维工作转台带动待测样品水平面旋转和垂直面旋转，实现不同角度下待测样品双向反射分布函数的测量。

具体的：

本实用新型的测试方法，包括：

步骤1、调节测试系统的光路准直；

步骤2、进行标定测试，调整四维工作转台，使标准白板(即朗伯面)处于四维工作转台的中心轴位置；

步骤3、通过电源给光电探测器加电压，同时配合入射光功率的调整，选取合适的信号读数，进行光亮度及照度的标定；

步骤4、采用对入射光波长反射率99％的反射镜对系统的反射角精度进行标定；

步骤5、待步骤3、步骤4标定过程的测试数据在5‰的变化范围内，进行下一步实验；

步骤6、将待测样品置于样品支撑部件上，打开测试光源，并调整待测样品角度，使得准直后的光束能够照射到待测样品表面；

步骤7、入射角固定，四维工作转台带动待测样品水平面旋转360°，逐渐改变待测样品和入射光的方位角，通过光电探测器、前置放大器、锁相放大器将光信号及位置信息转化为电信号由计算机自动记录反射光亮度、反射角、方位角信息；

步骤8、调整四维工作转台姿势，改变入射角，重复步骤7，测试另一入射角度下的双向反射分布函数；

步骤9：入射角测试范围为0-90°，可每间隔一定度数测试一组，间隔度数可根据实际测试需要进行选择。

本实用新型的优点为：

1、本实用新型能够在短时间内自动完成表面双向反射分布测量；

2、本实用新型误差引入较小；

3、本实用新型能实现包括后向散射在内的整个半球空间内双向反射分布的精确测量；

4、本实用新型可在线精准测量较大粗糙目标表面。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种新型双向反射分布函数快速测试系统，其特征在于，包括：半球型测试暗室；

所述半球型测试暗室的顶部设有通光孔，所述通光孔的正上方设有测试光源；

所述半球型测试暗室的内球面上紧密排布有多个光电探测器，所有所述光电探测器与信号处理系统相连；

所述半球型测试暗室内设有四维工作转台，待测样品通过样品支撑部件安装在所述四维工作转台上，所述四维工作转台带动所述待测样品水平面旋转和垂直面旋转。

2.如权利要求1所述的新型双向反射分布函数快速测试系统，其特征在于，所述半球型测试暗室安装在底托上构成封闭的半球腔体。

3.如权利要求1所述的新型双向反射分布函数快速测试系统，其特征在于，所述测试光源的光路上设有准直器，所述准直器对光束准直后经所述通光孔入射至所述半球型测试暗室内的待测样品上。

4.如权利要求1所述的新型双向反射分布函数快速测试系统，其特征在于，所述四维工作转台带动所述待测样品水平面360°旋转和垂直面180°俯仰。

5.如权利要求1所述的新型双向反射分布函数快速测试系统，其特征在于，所述信号处理系统包括：前置放大器、锁相位放大器和计算机；

所有所述光电探测器均与所述前置放大器相连，所述前置放大器与所述锁相位放大器相连，所述锁相位放大器与所述计算机相连。