一种测量表面双向反射分布的系统技术方案

本发明专利技术涉及一种测量表面双向反射分布的系统，技术特征在于：半抛物面反射镜置于样品的被测表面，光源系统置于半抛物面反射镜中心的主轴的一侧，且与半抛物面反射镜的内抛面相对；成像系统置于与主轴相交且垂直的轴上，且位于光源系统的光轴上方；在光源系统与半抛物面反射镜中间设置分束镜且分束镜的镜面与光轴成４５°角；所述的光源系统由光源、半圆形光源座和滑轨组成，滑轨的半径为抛物面镜焦距的两倍且镶嵌在半圆形光源座的上部边缘处，光源安装在半圆弧滑轨上且光轴平行于主轴；所述分束镜为一半镀银镜；所述的半抛物面反射镜内表面为反射镀层，抛物面口径大于四倍焦距。能够在较短的时间内完成表面双向反射分布测量，重复性误差较小。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种测量表面双向反射分布的系统，利用抛物面反射镜改变光传播方 向并通过阵列式探测器测量表面散射光场分布的领域。技术背景物体表面散射光场的空间分布可以用双向反射分布函数(BRDF)描述。BRDF 纪录了物体表面对不同方向的入射光在各个角度的反射分布，是一个多元函数，测量 过程复杂。现有的双向反射分布函数测量装置主要有两类 一类是利用一个或多个光电探测 器在待测样品表面上方作二维或一维机械式扫描，逐点探测各个观测角度的辐射量， 如M. Barilli禾卩A. Mazzoni的论文《An equipment for measuring 3D bi-directional scattering distribution function of black painted and differently machined surfaces》(Proc. of SP正，59620L, 2005);另一类是利用成像系统将各个角度处的辐射量分布成像到阵列 式探测器上，再通过图像处理得到散射光强分布值，如Kristin J Dana等的论文《Device for convenient measurement of spatially varying bidirecional reflectance》(J. Opt. Soc. Am. A/Vol. 21, No. 1, 2004)及我们申请的专利《一种测量辐射和散射光场三维分布的装置》 (申请号:200810017361.1，公开号CN101285703)。第一类装置中，探测器响应范围较大，配合后续电路可以实现任意角度处反射辐 射通量的精确测量，其缺点是耗时多，虽然采用计算机控制自动扫描测量可以提高测 量速度，但仍不能实现实时的在线测量，且测量过程中容易因光源输出功率及探测器 响应度变化而受到影响，重复性较差。第二类装置中，各个角度的散射光通量由光学成像和图像采集的方法获取，可以实现在短时间内同时测量空间各个角度的光通量分布，因此测量结果比较稳定，重复 性好。但是CCD等图像采集器件多为平面阵列结构，要实现对散射到整个半空间的各个方向光信号的采集，需要适合的系统对光线方向进行变换。Kristin J Dana等釆用离 轴抛物面镜，将散射到不同方向的光线反射到同一方向并通过CCD相机进行纪录，但 只能接收半球空间中某一立体角范围内的散射光。另外，该方法需要在实验室中进行， 且只能对一定尺寸的样品表面进行测量，限制了移动性强的野外测量及大目标表面的 测量。在我们申请的专利《一种测量辐射和散射光场三维分布的装置》(申请号 200810017361.1，公开号CN101285703)中，采用光纤束传输表面散射光，实现球 面空间反射分布到平面的转换。但该方法有一些缺陷测量精度受所用光纤直径大小 的影响；光纤端面的反射会返回到待测样品表面进而干扰测量结果；装置的制造工艺 比较复杂；采用光纤导入的光入射方式难以实现入射角的连续变化，且影响到后向散 射的测量。可见目前测量表面双向反射分布的装置的问题主要有1.不能在较短的时间内完 成表面双向反射分布测量。2.重复性误差较大。3.不能实现包括后向散射在内的整 个半球空间双向反射分布的精确测量。4.无法避免回射光干扰测量。5.不能方便进 行在线测量及大目标表面测量。6.装置制造工艺复杂。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种测量表面双向反射分布的系统， 能够在较短的时间内完成表面双向反射分布测量。 技术方案本专利技术技术特征在于包括分束镜4、半抛物面反射镜10、光源系统和成像系统；半抛物面反射镜10置于样品11的被测表面，光源系统置于半抛物面反射镜10中心的 主轴1的一侧，且与半抛物面反射镜10的内抛面相对；成像系统置于与主轴1相交且 垂直的轴8上，且位于光源系统的光轴上方；在光源系统与半抛物面反射镜10中间设置分束镜4且分束镜4的镜面与光轴成45。角；所述的光源系统由光源3、半圆形光 源座2和滑轨12组成，滑轨12的半径为抛物面镜10焦距的两倍且镶嵌在半圆形光源 座2的上部边缘处，光源3安装在半圆弧滑轨上且光轴平行于主轴1;所述分束镜4 为一半镀银镜；所述的半抛物面反射镜10内表面为反射镀层，抛物面口径大于四倍焦 距。所述的成像系统包括面阵CCD 9、透镜5、透镜7和光阑6;光阑6位于透镜5 ' 和透镜7的公共焦点处，透镜7后置面阵CCD9。所述的光源3采用半导体激光器或其他准直白光光源。 所述的光阑6表面为黑色吸光材料。一种利用上述系统测量表面双向反射分布的方法，其特征在于步骤如下.-步骤l:测量样品表面时，将样品置于半抛物面镜10的轴截面处，使待测样品表 面与抛物面轴截面重合且抛物面焦点位于样品表面待测区域； 步骤2:打开系统光源，在CCD9上采集到半圆形图像；步骤3:将CCD9采集到的半圆形图像经坐标映射变换为球面坐标中的双向反射 分布函数；步骤4:将样品绕焦点处的表面法线旋转180° ，重复步骤2和步骤3，得到另外四分之一球面空间的双向反射分布函数。步骤4中将系统绕焦点处的表面法线旋转180° ,重复步骤2和步骤3，得到另外四分之一球面空间的双向反射分布函数。步骤1测量样品表面时，将测量装置置于待测样品表面上，使半抛物面镜10的轴 截面与样品表面重合。 有益效果本专利技术的测量表面双向反射分布的系统，可以快速地测量物体表面的双向反射分 布函数。利用分束镜使得入射光的输入与反射光的输出互不影响，可以测量包括后向 反射在内的整个半空间中的双向反射分布。光源绕主轴旋转可以实现不同的入射天顶 角。有益效果1.能够在较短的时间内完成表面双向反射分布测量。2.系统的重复 性误差较小。3.系统应能实现包括后向散射在内的整个半球空间双向反射分布的精确测量。4.系统可以避免回射光的干扰。5.系统方便进行在线测量及大目标表面测量。 6.装置制造工艺应比较简单。 附图说明图1是本专利技术表面双向反射分布测量装置的剖视图； 图2是本专利技术中半圆形轨道光源座的侧视图； 图3是本专利技术中抛物面反射镜的立体图；图4是本专利技术中关于光阑阻碍并吸收未经抛物面镜反射的表面散射光的示意图； 图5是将由抛物面镜反射形成的图像变换为球面坐标的坐标映射示意图； 2-光源座；3.-光源；4-分束镜；5-透镜；6-光闺；7-透镜；9-面阵CCD; 10-半抛物 面反射镜；ll-样品；12-滑轨；具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述如图1所示的物体双向反射分布测量装置包括分束镜4、半抛物面反射镜IO、光源系统和成像系统。分束镜4固定于光源3和抛物面镜IO之间，其法线与装置主轴成 45度角。光源3的光轴平行于装置主轴1，光源3装配在垂直于装置主轴1的半圆弧 滑轨上，可以绕装置主轴1旋转。光源3可以采用半导体激光器或其他准直白光光源， 光源3出射的光束透过分束镜4经半抛物面镜10反射后会聚于其焦点处。测量时将待 测样品11置于半抛物面镜IO轴截面的焦点位置处或将测量装置置于待测物体表面上。 然后根据待测表面的反射特性选择适当的曝光时间，通过CCD相机9纪录下表面在整 个半球空间中各个角度的散射光强并存储在相机所携带的存储卡内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量表面双向反射分布的系统，其特征在于包括分束镜（４）、半抛物面反射镜（１０）、光源系统和成像系统；半抛物面反射镜（１０）置于样品（１１）的被测表面，光源系统置于半抛物面反射镜（１０）中心的主轴（１）的一侧，且与半抛物面反射镜（１０）的内抛面相对；成像系统置于与主轴（１）相交且垂直的轴（８）上，且位于光源系统的光轴上方；在光源系统于半抛物面反射镜（１０）中间设置分束镜（４）且分束镜（４）的镜面与光轴成４５°角；所述的光源系统由光源（３）、半圆形光源座（２）和滑轨（１２）组成，滑轨（１２）的半径为抛物面镜（１０）焦距的两倍且镶嵌在半圆形光源座（２）的上部边缘处，光源（３）安装在半圆弧滑轨上且光轴平行于主轴（１）；所述分束镜（４）为一半镀银镜；所述的半抛物面反射镜（１０）内表面为反射镀层，抛物面口径大于四倍焦距。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵建林，任驹，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]