一种新型双向反射分布函数快速测试系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种新型双向反射分布函数快速测试系统及方法，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。本发明专利技术可实现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。

A New Fast Testing System and Method for Bidirectional Reflection Distribution Function

The invention discloses a new type of rapid measurement system and method for bidirectional reflectance distribution function. The top of a hemispherical test darkroom is provided with a through hole, and a test light source is arranged directly above the through hole; the inner sphere of a hemispherical test darkroom is closely arranged with a plurality of photodetectors, all of which are connected with the signal processing system; and a four-dimensional working table is arranged in the hemispherical test darkroom. The sample to be measured is mounted on the four-dimensional working table through the sample supporting parts, and the four-dimensional working table drives the horizontal and vertical rotation of the sample to be measured; after the beam of the test light source is collimated, it is incident on the sample to be measured through the aperture; after the incident light is scattered by the sample to be measured, the scattered light signal is received by the photoelectric detector, and the output signal of the photoelectric detector is sent to the signal processing system. The bidirectional reflectance distribution function of the sample to be measured is obtained by processing. The invention can realize fast measurement of the bidirectional reflection distribution function of the sample within the space range of 2 pi hemisphere, and has high measurement accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种新型双向反射分布函数快速测试系统及方法
本专利技术涉及光学
，具体涉及一种新型双向反射分布函数快速测试系统及方法。
技术介绍
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θi,为入射光的入射角和方位角，θr,为反射光的反射角和方位角。Lr是测试面元dA经过照射后在θr,方向上的辐亮度；Ei是θi,方向上入射光产生的表面辐照度。fr是沿着方向θr,出射的辐照亮度和与沿着入射方向θi,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θi,、反射角θr,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。
技术实现思路
针对上述问题中存在的不足之处，本专利技术提供一种新型双向反射分布函数快速测试系统及方法，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。本专利技术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。作为本专利技术的进一步改进，所述半球型测试暗室安装在底托上构成封闭的半球腔体。作为本专利技术的进一步改进，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。作为本专利技术的进一步改进，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。作为本专利技术的进一步改进，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。本专利技术还提供一种新型双向反射分布函数快速测试方法，包括：所述测试光源的光束经准直后，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；入射光经所述待测样品散射后，散射光信号被所述光电探测器接收，所述光电探测器输出信号至所述信号处理系统进行处理，得到所述待测样品的双向反射分布函数；其中：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，实现不同角度下待测样品双向反射分布函数的测量。作为本专利技术的进一步改进，所述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，得到所述待测样品的双向反射分布函数。作为本专利技术的进一步改进，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。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术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为本专利技术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专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。在本专利技术的描述中，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专利技术和简化描述，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专利技术的限制。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。在本专利技术的描述中，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专利技术中的具体含义。基于图1所示的双向反射分布函数的测试原理，本专利技术建立了一种新型双向反射分布函数快速测试系统及方法，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，光电探测本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。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。6.一种如权利要求1-5中任一项所述的新型双向反射分布函数快速测试系统的测试方法，其特征在于，包括：所述测试光源的光束经准直后，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；...

【专利技术属性】
技术研发人员：代京京，王智勇，刘豫颖，赵思思，张景豪，
申请(专利权)人：北京工业大学，北京空间机电研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11