專利名稱：一種測量物體表面雙向反射分布的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種測量表面雙向反射分布的裝置，利用拋物面反射鏡改變光傳
播方向并通過陣列式探測器測量表面散射光場分布的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
物體表面散射光場的空間分布可以用雙向反射分布函數(shù)(BRDF)描述。BRDF紀(jì)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(shù)，測量過程復(fù)雜。 現(xiàn)有的雙向反射分布函數(shù)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 的福射量，如M. Barilli禾口 A. Mazzoni的論文《An equipment for measuring 3D bi-directionalscattering distribution function of black painted and differently machined surfaces》(Proc. of SPIE， 59620L, 2005);另 一 類是利用成像裝置將各個角 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《Devicefor 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?zhí)?00810017361. 1，公開號 CN101285703)。 第一類裝置中，探測器響應(yīng)范圍較大，配合后續(xù)電路可以實現(xiàn)任意角度處反射輻 射通量的精確測量，其缺點是耗時多，雖然采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(xiàn)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(yīng)度變 化而受到影響，重復(fù)性較差。 第二類裝置中，各個角度的散射光通量由光學(xué)成像和圖像采集的方法獲取，可以 實現(xiàn)在短時間內(nèi)同時測量空間各個角度的光通量分布，因此測量結(jié)果比較穩(wěn)定，重復(fù)性好。 但是CCD等圖像采集器件多為平面陣列結(jié)構(gòu)，要實現(xiàn)對散射到整個半空間的各個方向光信 號的采集，需要適合的裝置對光線方向進(jìn)行變換。Kristin J Dana等采用離軸拋物面鏡，將 散射到不同方向的光線反射到同一方向并通過CCD相機進(jìn)行紀(jì)錄，但只能接收半球空間中 某一立體角范圍內(nèi)的散射光。另外，該方法需要在實驗室中進(jìn)行，且只能對一定尺寸的樣品 表面進(jìn)行測量，限制了移動性強的野外測量及大目標(biāo)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?zhí)?00810017361. l，公開號CN101285703) 中，采用光纖束傳輸表面散射光，實現(xiàn)球面空間反射分布到平面的轉(zhuǎn)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(jìn)而干 擾測量結(jié)果；裝置的制造工藝比較復(fù)雜；采用光纖導(dǎo)入的光入射方式難以實現(xiàn)入射角的連 續(xù)變化，且影響到后向散射的測量。 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(nèi) 完成表面雙向反射分布測量。2.重復(fù)性誤差較大。3.不能實現(xiàn)包括后向散射在內(nèi)的整個 半球空間雙向反射分布的精確測量。4.無法避免回射光干擾測量。5.不能方便進(jìn)行在線
3測量及大目標(biāo)表面測量。6.裝置制造工藝復(fù)雜。
發(fā)明內(nèi)容要解決的技術(shù)問題 為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本實用新型提出一種測量物體表面雙向反射分布 的裝置，能夠在較短的時間內(nèi)完成表面雙向反射分布測量。 技術(shù)方案 本實用新型方法特征在于包括分束鏡4、半拋物面反射鏡10、光源裝置和成像裝 置；半拋物面反射鏡10置于樣品11的被測表面，光源裝置置于半拋物面反射鏡10中心的 主軸1的一側(cè)，且與半拋物面反射鏡10的內(nèi)拋面相對；成像裝置置于與主軸1相交且垂直 的軸8上，且位于光源裝置的光軸上方；在光源裝置于半拋物面反射鏡10中間設(shè)置分束鏡 4且分束鏡4的鏡面與光軸成45。角；所述的光源裝置由光源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IO焦距的兩倍且鑲嵌在半圓形光源座2的上部邊緣，光源 3安裝在半圓弧滑軌上且光軸平行于主軸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(nèi)表面為反射鍍層，拋物面口徑大于四倍焦距。所述的成像裝置包括面陣CCD 9、透鏡5、透鏡7和光闌6 ;光闌6位于透鏡5和透
鏡7的公共焦點處，透鏡7后置面陣CCD 9。 所述的光源3采用半導(dǎo)體激光器或其他準(zhǔn)直白光光源。 所述的光闌6表面為黑色吸光材料。 —種利用上述裝置測量表面雙向反射分布的方法，步驟如下 步驟1 :測量樣品表面時，將樣品置于半拋物面鏡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于樣品表面待測區(qū)域； 測量樣品表面時，還可以將測量裝置置于待測樣品表面上，使半拋物面鏡10的軸 截面與樣品表面重合； 步驟2 :打開裝置光源，在CCD9上采集到半圓形圖像； 步驟3 :將CCD9采集到的半圓形圖像經(jīng)坐標(biāo)映射變換為球面坐標(biāo)中的雙向反射分 布函數(shù)； 步驟4 :將樣品繞焦點處的表面法線旋轉(zhuǎn)180° ，重復(fù)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(shù)。 步驟4中將裝置繞焦點處的表面法線旋轉(zhuǎn)180° ，重復(fù)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(shù)。 有益效果 本實用新型的測量表面雙向反射分布的裝置，可以快速地測量物體表面的雙向反 射分布函數(shù)。利用分束鏡使得入射光的輸入與反射光的輸出互不影響，可以測量包括后向 反射在內(nèi)的整個半空間中的雙向反射分布。光源繞主軸旋轉(zhuǎn)可以實現(xiàn)不同的入射天頂角。 有益效果1.能夠在較短的時間內(nèi)完成表面雙向反射分布測量。2.裝置的重復(fù)性 誤差較小。3.裝置應(yīng)能實現(xiàn)包括后向散射在內(nèi)的整個半球空間雙向反射分布的精確測量。 4.裝置可以避免回射光干擾測量。5.裝置方便進(jìn)行在線測量及大目標(biāo)表面測量。6.裝置 制造工藝應(yīng)比較簡單。
圖1是本實用新型表面雙向反射分布測量裝置的剖視圖； 圖2是本實用新型中半圓形軌道光源座的側(cè)視圖； 圖3是本實用新型中拋物面反射鏡的立體圖； 圖4是本實用新型中關(guān)于光闌阻礙并吸收未經(jīng)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(biāo)的坐標(biāo)映射示意圖； 2_光源座；3-光源；4-分束鏡；5-透鏡；6-光闌；7-透鏡；9-面陣CCD ;10-半拋
物面反射鏡；11-樣品；12-滑軌；具體實施方式現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本實用新型作進(jìn)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10、光源 裝置和成像裝置。分束鏡4固定于光源3和拋物面鏡10之間，其法線與裝置主軸成45度 角。光源3的光軸平行于裝置主軸l，光源3裝配在垂直于裝置主軸1的半圓弧滑軌上，可 以繞裝置主軸1旋轉(zhuǎn)。光源3可以采用半導(dǎo)體激光器或其他準(zhǔn)直白光光源，光源3出射的 光束透過分束鏡4經(jīng)半拋物面鏡10反射后會聚于其焦點處。測量時將待測樣品11置于半 拋物面鏡IO軸截面的焦點位置處或?qū)y量裝置置于待測物體表面上。然后根據(jù)待測表面 的反射特性選擇適當(dāng)?shù)钠毓鈺r間，通過CCD相機9紀(jì)錄下表面在整個半球空間中各個角度 的散射光強并存儲在相機所攜帶的存儲卡內(nèi)。對于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(jì)錄一組不同強度的圖像，即由較短的曝光時間紀(jì)錄下未達(dá)到飽和的 反射峰分布，而由較長的曝光時間紀(jì)錄非峰值處的漫射分布，通過后續(xù)的圖像處理操作可 以在計算機里得到CCD相機無法紀(jì)錄的灰度階。光源裝置繞裝置主軸旋轉(zhuǎn)可以使光束以不
同入射角照射到位于半拋物面鏡io焦點處的樣品表面，實現(xiàn)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(zhuǎn)裝置或旋轉(zhuǎn)樣品可以實現(xiàn)不同入射方 位角下雙向反射分布的測量。 圖2中滑軌12為垂直于主軸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的口徑略大于其焦距的四倍，這樣焦點便位于拋物面鏡內(nèi)部。 拋物面鏡內(nèi)壁經(jīng)拋光并鍍反射膜。 圖4中的光闌6將未經(jīng)拋物面鏡10反射的表面散射光阻擋并吸收。 圖5中坐標(biāo)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(biāo)中，在極坐
標(biāo)中用極徑表示反射天頂角，極角表示反射方位角。 本實用新型所述裝置外殼采用剛度較好的金屬殼封裝，外殼內(nèi)壁涂黑色吸光涂 層，外殼上設(shè)置光源位置調(diào)節(jié)裝置并可以顯示調(diào)節(jié)值。
權(quán)利要求一種測量物體表面雙向反射分布的裝置，其特征在于包括分束鏡(4)、半拋物面反射鏡(10)、光源裝置和成像裝置；半拋物面反射鏡(10)置于樣品(11)的被測表面，光源裝置置于半拋物面反射鏡(10)中心的主軸(1)的一側(cè)，且與半拋物面反射鏡(10)的內(nèi)拋面相對；成像裝置置于與主軸(1)相交且垂直的軸(8)上，且位于光源裝置的光軸上方；在光源裝置于半拋物面反射鏡(10)中間設(shè)置分束鏡(4)且分束鏡(4)的鏡面與光軸成45°角；所述的光源裝置由光源(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，光源(3)安裝在半圓弧滑軌上且光軸平行于主軸(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(nèi)表面為反射鍍層，拋物面口徑大于四倍焦距。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量物體表面雙向反射分布的裝置，其特征在于所述的成 像裝置包括面陣CCD(9)、透鏡(5)、透鏡(7)和光闌(6);光闌(6)位于透鏡(5)和透鏡(7) 的公共焦點處，透鏡(7)后置面陣CCD(9)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測量物體表面雙向反射分布的裝置，其特征在于所述 的光源(3)采用半導(dǎo)體激光器或其他準(zhǔn)直白光光源。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測量物體表面雙向反射分布的裝置，其特征在于所述 的光闌(6)表面為黑色吸光材料。
專利摘要本實用新型涉及一種測量物體表面雙向反射分布的裝置，技術(shù)特征在于半拋物面反射鏡置于樣品的被測表面，光源系統(tǒng)置于半拋物面反射鏡中心的主軸的一側(cè)，且與半拋物面反射鏡的內(nèi)拋面相對；成像系統(tǒng)置于與主軸相交且垂直的軸上，且位于光源系統(tǒng)的光軸上方；在光源系統(tǒng)與半拋物面反射鏡中間設(shè)置分束鏡且分束鏡的鏡面與光軸成45°角；所述的光源系統(tǒng)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于主軸；所述分束鏡為一半鍍銀鏡；所述的半拋物面反射鏡內(nèi)表面為反射鍍層，拋物面口徑大于四倍焦距。能夠在較短的時間內(nèi)完成表面雙向反射分布測量，誤差較小。
文檔編號G01N21/47GK201449372SQ20092003331
公開日2010年5月5日 申請日期2009年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月26日
發(fā)明者任駒, 趙建林 申請人:西北工業(yè)大學(xué)