一種測量表面雙向反射分布的系統的製作方法

2023-07-08 22:17:16

專利名稱：一種測量表面雙向反射分布的系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量表面雙向反射分布的系統，利用拋物面反射鏡改變光傳播方 向並通過陣列式探測器測量表面散射光場分布的領域。
技術背景物體表面散射光場的空間分布可以用雙向反射分布函數(BRDF)描述。BRDF 紀錄了物體表面對不同方向的入射光在各個角度的反射分布，是一個多元函數，測量 過程複雜。現有的雙向反射分布函數測量裝置主要有兩類 一類是利用一個或多個光電探測 器在待測樣品表面上方作二維或一維機械式掃描，逐點探測各個觀測角度的輻射量， 如M. Barilli禾卩A. Mazzoni的論文《An equipment for measuring 3D bi-directional scattering distribution function of black painted and differently machined surfaces》(Proc. of SP正，59620L, 2005);另一類是利用成像系統將各個角度處的輻射量分布成像到陣列 式探測器上，再通過圖像處理得到散射光強分布值，如Kristin J Dana等的論文《Device for convenient measurement of spatially varying bidirecional reflectance》(J. Opt. Soc. Am. A/Vol. 21, No. 1, 2004)及我們申請的專利《一種測量輻射和散射光場三維分布的裝置》 (申請號:200810017361.1，公開號CN101285703)。第一類裝置中，探測器響應範圍較大，配合後續電路可以實現任意角度處反射輻 射通量的精確測量，其缺點是耗時多，雖然採用計算機控制自動掃描測量可以提高測 量速度，但仍不能實現實時的在線測量，且測量過程中容易因光源輸出功率及探測器 響應度變化而受到影響，重複性較差。第二類裝置中，各個角度的散射光通量由光學成像和圖像採集的方法獲取，可以實現在短時間內同時測量空間各個角度的光通量分布，因此測量結果比較穩定，重複 性好。但是CCD等圖像採集器件多為平面陣列結構，要實現對散射到整個半空間的各個方向光信號的採集，需要適合的系統對光線方向進行變換。Kristin J Dana等釆用離 軸拋物面鏡，將散射到不同方向的光線反射到同一方向並通過CCD相機進行紀錄，但 只能接收半球空間中某一立體角範圍內的散射光。另外，該方法需要在實驗室中進行， 且只能對一定尺寸的樣品表面進行測量，限制了移動性強的野外測量及大目標表面的 測量。在我們申請的專利《一種測量輻射和散射光場三維分布的裝置》(申請號 200810017361.1，公開號CN101285703)中，採用光纖束傳輸表面散射光，實現球 面空間反射分布到平面的轉換。但該方法有一些缺陷測量精度受所用光纖直徑大小 的影響；光纖端面的反射會返回到待測樣品表面進而幹擾測量結果；裝置的製造工藝 比較複雜；採用光纖導入的光入射方式難以實現入射角的連續變化，且影響到後向散 射的測量。可見目前測量表面雙向反射分布的裝置的問題主要有1.不能在較短的時間內完 成表面雙向反射分布測量。2.重複性誤差較大。3.不能實現包括後向散射在內的整 個半球空間雙向反射分布的精確測量。4.無法避免回射光幹擾測量。5.不能方便進 行在線測量及大目標表面測量。6.裝置製造工藝複雜。發明內容要解決的技術問題為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種測量表面雙向反射分布的系統， 能夠在較短的時間內完成表面雙向反射分布測量。 技術方案本發明技術特徵在於包括分束鏡4、半拋物面反射鏡10、光源系統和成像系統；半拋物面反射鏡10置於樣品11的被測表面，光源系統置於半拋物面反射鏡10中心的 主軸1的一側，且與半拋物面反射鏡10的內拋面相對；成像系統置於與主軸1相交且 垂直的軸8上，且位於光源系統的光軸上方；在光源系統與半拋物面反射鏡10中間設置分束鏡4且分束鏡4的鏡面與光軸成45。角；所述的光源系統由光源3、半圓形光 源座2和滑軌12組成，滑軌12的半徑為拋物面鏡10焦距的兩倍且鑲嵌在半圓形光源 座2的上部邊緣處，光源3安裝在半圓弧滑軌上且光軸平行於主軸1;所述分束鏡4 為一半鍍銀鏡；所述的半拋物面反射鏡10內表面為反射鍍層，拋物面口徑大於四倍焦 距。所述的成像系統包括面陣CCD 9、透鏡5、透鏡7和光闌6;光闌6位於透鏡5 ' 和透鏡7的公共焦點處，透鏡7後置面陣CCD9。所述的光源3採用半導體雷射器或其他準直白光光源。 所述的光闌6表面為黑色吸光材料。一種利用上述系統測量表面雙向反射分布的方法，其特徵在於步驟如下.-步驟l:測量樣品表面時，將樣品置於半拋物面鏡10的軸截面處，使待測樣品表 面與拋物面軸截面重合且拋物面焦點位於樣品表面待測區域； 步驟2:打開系統光源，在CCD9上採集到半圓形圖像；步驟3:將CCD9採集到的半圓形圖像經坐標映射變換為球面坐標中的雙向反射 分布函數；步驟4:將樣品繞焦點處的表面法線旋轉180° ，重複步驟2和步驟3，得到另外四分之一球面空間的雙向反射分布函數。步驟4中將系統繞焦點處的表面法線旋轉180° ,重複步驟2和步驟3，得到另外四分之一球面空間的雙向反射分布函數。步驟1測量樣品表面時，將測量裝置置於待測樣品表面上，使半拋物面鏡10的軸 截面與樣品表面重合。 有益效果本發明的測量表面雙向反射分布的系統，可以快速地測量物體表面的雙向反射分 布函數。利用分束鏡使得入射光的輸入與反射光的輸出互不影響，可以測量包括後向 反射在內的整個半空間中的雙向反射分布。光源繞主軸旋轉可以實現不同的入射天頂 角。有益效果1.能夠在較短的時間內完成表面雙向反射分布測量。2.系統的重複 性誤差較小。3.系統應能實現包括後向散射在內的整個半球空間雙向反射分布的精確測量。4.系統可以避免回射光的幹擾。5.系統方便進行在線測量及大目標表面測量。 6.裝置製造工藝應比較簡單。


圖1是本發明表面雙向反射分布測量裝置的剖視圖； 圖2是本發明中半圓形軌道光源座的側視圖； 圖3是本發明中拋物面反射鏡的立體圖；圖4是本發明中關於光闌阻礙並吸收未經拋物面鏡反射的表面散射光的示意圖； 圖5是將由拋物面鏡反射形成的圖像變換為球面坐標的坐標映射示意圖； 2-光源座；3.-光源；4-分束鏡；5-透鏡；6-光閨；7-透鏡；9-面陣CCD; 10-半拋物 面反射鏡；ll-樣品；12-滑軌；具體實施方式
現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述如圖1所示的物體雙向反射分布測量裝置包括分束鏡4、半拋物面反射鏡IO、光源系統和成像系統。分束鏡4固定於光源3和拋物面鏡IO之間，其法線與裝置主軸成 45度角。光源3的光軸平行於裝置主軸1，光源3裝配在垂直於裝置主軸1的半圓弧 滑軌上，可以繞裝置主軸1旋轉。光源3可以採用半導體雷射器或其他準直白光光源， 光源3出射的光束透過分束鏡4經半拋物面鏡10反射後會聚於其焦點處。測量時將待 測樣品11置於半拋物面鏡IO軸截面的焦點位置處或將測量裝置置於待測物體表面上。 然後根據待測表面的反射特性選擇適當的曝光時間，通過CCD相機9紀錄下表面在整 個半球空間中各個角度的散射光強並存儲在相機所攜帶的存儲卡內。對於有較強反射 峰的物體表面，可以用一組不同量級的曝光時間紀錄一組不同強度的圖像，即由較短 的曝光時間紀錄下未達到飽和的反射峰分布，而由較長的曝光時間紀錄非峰值處的漫 射分布，通過後續的圖像處理操作可以在計算機裡得到CCD相機無法紀錄的灰度階。 光源系統繞裝置主軸旋轉可以使光束以不同入射角照射到位於半拋物面鏡10焦點處 的樣品表面，實現不同入射天頂角下雙向反射分布的測量。繞拋物面鏡焦點處的樣品 表面法線旋轉裝置或旋轉樣品可以實現不同入射方位角下雙向反射分布的測量。圖2中滑軌12為垂直於主軸1的半圓弧形，其半徑為拋物面鏡10焦距的兩倍。 圖3中拋物面鏡10的口徑略大於其焦距的四倍，這樣焦點便位於拋物面鏡內部。 拋物面鏡內壁經拋光並鍍反射膜。圖4中的光闌6位於透鏡5和透鏡7的公共焦點處，光闌表面為黑色吸光材料， 用於限制未經拋物面鏡反射的光線通過。光闌6將未經拋物面鏡10反射的表面散射光 阻擋並吸收。圖5中坐標變換將由拋物面鏡10反射形成的半圓形圖像變換到極坐標中，在極坐 '標中用極徑表示反射天頂角，極角表示反射方位角。本發明所述裝置外殼採用剛度較好的金屬殼封裝，外殼內壁塗黑色吸光塗層，外殼上設置光源位置調節裝置並可以顯示調節值。測量樣品表面雙向反射分布的方法是在測量小樣品表面時，將樣品置於半拋物 面鏡10軸截面處，使待測樣品表面與拋物面軸截面重合且拋物面焦點位於樣品表面待 測區域；對於比較大的樣品表面，將測量裝置置於待測樣品表面上，使半拋物面鏡IO的軸截面與樣品表面重合，打開光源3，光束的一部分透過分束鏡4經半拋物面鏡10 反射後照亮位於半拋物面鏡10焦點處的樣品表面。樣品表面的反射或散射光一部分經 半拋物面鏡10反射後平行於主軸1射出，被分束鏡4反射變成垂直於主軸1平行於軸 8的半圓形橫截面的平行光束通過透鏡5、光闌6和透鏡7投射到CCD9上，另一部分 未經半拋物面鏡10反射的光通過透鏡5後被光闌6阻擋並吸收。CCD9的曝光時間可 以調節以適應不同的反射或散射光強度。CCD9採集到的半圓形圖像經坐標映射可以 變換為球面坐標中的雙向反射分布函數。將測量裝置或樣品繞焦點處的表面法線旋轉 180°測量另外四分之一球面空間的雙向反射分布函數。
權利要求
1.一種測量表面雙向反射分布的系統，其特徵在於包括分束鏡(4)、半拋物面反射鏡(10)、光源系統和成像系統；半拋物面反射鏡(10)置於樣品(11)的被測表面，光源系統置於半拋物面反射鏡(10)中心的主軸(1)的一側，且與半拋物面反射鏡(10)的內拋面相對；成像系統置於與主軸(1)相交且垂直的軸(8)上，且位於光源系統的光軸上方；在光源系統於半拋物面反射鏡(10)中間設置分束鏡(4)且分束鏡(4)的鏡面與光軸成45°角；所述的光源系統由光源(3)、半圓形光源座(2)和滑軌(12)組成，滑軌(12)的半徑為拋物面鏡(10)焦距的兩倍且鑲嵌在半圓形光源座(2)的上部邊緣處，光源(3)安裝在半圓弧滑軌上且光軸平行於主軸(1)；所述分束鏡(4)為一半鍍銀鏡；所述的半拋物面反射鏡(10)內表面為反射鍍層，拋物面口徑大於四倍焦距。
2. 根據權利要求1所述的測量表面雙向反射分布的系統，其特徵在於所述的成像 系統包括面陣CCD (9)、透鏡(5)、透鏡(7)和光闌(6);光闌(6)位於透鏡(5)和透鏡(7)的公共焦點處，透鏡(7)後置面陣CCD (9)。
3. 根據權利要求1或2所述的測量表面雙向反射分布的系統，其特徵在於所述的 光源(3)採用半導體雷射器或其他準直白光光源。
4. 根據權利要求1或2所述的測量表面雙向反射分布的系統，其特徵在於所述的 光闌(6)表面為黑色吸光材料。
5. —種利用權利要求1~4所述任一種系統測量表面雙向反射分布的方法，其特徵在 於步驟如下-步驟1:測量樣品表面時，將樣品置於半拋物面鏡(10)的軸截面處，使待測樣 品表面與拋物面軸截面重合且拋物面焦點位於樣品表面待測區域； 步驟2:打開系統光源，在CCD (9)上採集到半圓形圖像；步驟3:將CCD (9)採集到的半圓形圖像經坐標映射變換為球面坐標中的雙向反 射分布函數；步驟4:將樣品繞焦點處的表面法線旋轉180° ，重複步驟2和步驟3，得到另外 四分之一球面空間的雙向反射分布函數。
6. 根據權利要求5所述的方法，其特徵在於步驟1測量樣品表面時，將測量裝置 置於待測樣品表面上，使半拋物面鏡(10)的軸截面與樣品表面重合。
7. 根據權利要求5或6所述的任一種方法，其特徵在於步驟4中將系統繞焦點處 的表面法線旋轉180。，.重複步驟2和步驟3，得到另外四分之一球面空間的雙向 反射分布函數。
全文摘要
本發明涉及一種測量表面雙向反射分布的系統，技術特徵在於半拋物面反射鏡置於樣品的被測表面，光源系統置於半拋物面反射鏡中心的主軸的一側，且與半拋物面反射鏡的內拋面相對；成像系統置於與主軸相交且垂直的軸上，且位於光源系統的光軸上方；在光源系統與半拋物面反射鏡中間設置分束鏡且分束鏡的鏡面與光軸成45°角；所述的光源系統由光源、半圓形光源座和滑軌組成，滑軌的半徑為拋物面鏡焦距的兩倍且鑲嵌在半圓形光源座的上部邊緣處，光源安裝在半圓弧滑軌上且光軸平行於主軸；所述分束鏡為一半鍍銀鏡；所述的半拋物面反射鏡內表面為反射鍍層，拋物面口徑大於四倍焦距。能夠在較短的時間內完成表面雙向反射分布測量，重複性誤差較小。
文檔編號G01J1/00GK101566499SQ20091002271
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月26日 優先權日2009年5月26日
發明者駒 任, 趙建林 申請人:西北工業大學