專(zhuān)利名稱(chēng)：一種測(cè)量表面雙向反射分布的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量表面雙向反射分布的系統(tǒng)，利用拋物面反射鏡改變光傳播方 向并通過(guò)陣列式探測(cè)器測(cè)量表面散射光場(chǎng)分布的領(lǐng)域。
技術(shù)背景物體表面散射光場(chǎng)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(duì)不同方向的入射光在各個(gè)角度的反射分布，是一個(gè)多元函數(shù)，測(cè)量 過(guò)程復(fù)雜?，F(xiàn)有的雙向反射分布函數(shù)測(cè)量裝置主要有兩類(lèi) 一類(lèi)是利用一個(gè)或多個(gè)光電探測(cè) 器在待測(cè)樣品表面上方作二維或一維機(jī)械式掃描，逐點(diǎn)探測(cè)各個(gè)觀(guān)測(cè)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(lèi)是利用成像系統(tǒng)將各個(gè)角度處的輻射量分布成像到陣列 式探測(cè)器上，再通過(guò)圖像處理得到散射光強(qiáng)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(qǐng)的專(zhuān)利《一種測(cè)量輻射和散射光場(chǎng)三維分布的裝置》 (申請(qǐng)?zhí)?200810017361.1，公開(kāi)號(hào)CN101285703)。第一類(lèi)裝置中，探測(cè)器響應(yīng)范圍較大，配合后續(xù)電路可以實(shí)現(xiàn)任意角度處反射輻 射通量的精確測(cè)量，其缺點(diǎn)是耗時(shí)多，雖然采用計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)掃描測(cè)量可以提高測(cè) 量速度，但仍不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的在線(xiàn)測(cè)量，且測(cè)量過(guò)程中容易因光源輸出功率及探測(cè)器 響應(yīng)度變化而受到影響，重復(fù)性較差。第二類(lèi)裝置中，各個(gè)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(shí)現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)測(cè)量空間各個(gè)角度的光通量分布，因此測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)散射到整個(gè)半空間的各個(gè)方向光信號(hào)的采集，需要適合的系統(tǒng)對(duì)光線(xiàn)方向進(jìn)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(xiàn)反射到同一方向并通過(guò)CCD相機(jī)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(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行， 且只能對(duì)一定尺寸的樣品表面進(jìn)行測(cè)量，限制了移動(dòng)性強(qiáng)的野外測(cè)量及大目標(biāo)表面的 測(cè)量。在我們申請(qǐng)的專(zhuān)利《一種測(cè)量輻射和散射光場(chǎng)三維分布的裝置》(申請(qǐng)?zhí)?200810017361.1，公開(kāi)號(hào)CN101285703)中，采用光纖束傳輸表面散射光，實(shí)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(cè)量精度受所用光纖直徑大小 的影響；光纖端面的反射會(huì)返回到待測(cè)樣品表面進(jìn)而干擾測(cè)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(shí)現(xiàn)入射角的連續(xù)變化，且影響到后向散 射的測(cè)量?？梢?jiàn)目前測(cè)量表面雙向反射分布的裝置的問(wèn)題主要有1.不能在較短的時(shí)間內(nèi)完 成表面雙向反射分布測(cè)量。2.重復(fù)性誤差較大。3.不能實(shí)現(xiàn)包括后向散射在內(nèi)的整 個(gè)半球空間雙向反射分布的精確測(cè)量。4.無(wú)法避免回射光干擾測(cè)量。5.不能方便進(jìn) 行在線(xiàn)測(cè)量及大目標(biāo)表面測(cè)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(wèn)題為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種測(cè)量表面雙向反射分布的系統(tǒng)， 能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成表面雙向反射分布測(cè)量。 技術(shù)方案本發(fā)明技術(shù)特征在于包括分束鏡4、半拋物面反射鏡10、光源系統(tǒng)和成像系統(tǒng)；半拋物面反射鏡10置于樣品11的被測(cè)表面，光源系統(tǒng)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(duì)；成像系統(tǒng)置于與主軸1相交且 垂直的軸8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；所述的光源系統(tǒng)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。所述的成像系統(tǒng)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(diǎn)處，透鏡7后置面陣CCD9。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。一種利用上述系統(tǒng)測(cè)量表面雙向反射分布的方法，其特征在于步驟如下.-步驟l:測(cè)量樣品表面時(shí)，將樣品置于半拋物面鏡10的軸截面處，使待測(cè)樣品表 面與拋物面軸截面重合且拋物面焦點(diǎn)位于樣品表面待測(cè)區(qū)域； 步驟2:打開(kāi)系統(tǒng)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(diǎn)處的表面法線(xiàn)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中將系統(tǒng)繞焦點(diǎn)處的表面法線(xiàn)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1測(cè)量樣品表面時(shí)，將測(cè)量裝置置于待測(cè)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(fā)明的測(cè)量表面雙向反射分布的系統(tǒng)，可以快速地測(cè)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(cè)量包括后向 反射在內(nèi)的整個(gè)半空間中的雙向反射分布。光源繞主軸旋轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)不同的入射天頂 角。有益效果1.能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成表面雙向反射分布測(cè)量。2.系統(tǒng)的重復(fù) 性誤差較小。3.系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)包括后向散射在內(nèi)的整個(gè)半球空間雙向反射分布的精確測(cè)量。4.系統(tǒng)可以避免回射光的干擾。5.系統(tǒng)方便進(jìn)行在線(xiàn)測(cè)量及大目標(biāo)表面測(cè)量。 6.裝置制造工藝應(yīng)比較簡(jiǎn)單。


圖1是本發(fā)明表面雙向反射分布測(cè)量裝置的剖視圖； 圖2是本發(fā)明中半圓形軌道光源座的側(cè)視圖； 圖3是本發(fā)明中拋物面反射鏡的立體圖；圖4是本發(fā)明中關(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(shí)施方式
現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述如圖1所示的物體雙向反射分布測(cè)量裝置包括分束鏡4、半拋物面反射鏡IO、光源系統(tǒng)和成像系統(tǒng)。分束鏡4固定于光源3和拋物面鏡IO之間，其法線(xiàn)與裝置主軸成 45度角。光源3的光軸平行于裝置主軸1，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(guò)分束鏡4經(jīng)半拋物面鏡10反射后會(huì)聚于其焦點(diǎn)處。測(cè)量時(shí)將待 測(cè)樣品11置于半拋物面鏡IO軸截面的焦點(diǎn)位置處或?qū)y(cè)量裝置置于待測(cè)物體表面上。 然后根據(jù)待測(cè)表面的反射特性選擇適當(dāng)?shù)钠毓鈺r(shí)間，通過(guò)CCD相機(jī)9紀(jì)錄下表面在整 個(gè)半球空間中各個(gè)角度的散射光強(qiáng)并存儲(chǔ)在相機(jī)所攜帶的存儲(chǔ)卡內(nèi)。對(duì)于有較強(qiáng)反射 峰的物體表面，可以用一組不同量級(jí)的曝光時(shí)間紀(jì)錄一組不同強(qiáng)度的圖像，即由較短 的曝光時(shí)間紀(jì)錄下未達(dá)到飽和的反射峰分布，而由較長(zhǎng)的曝光時(shí)間紀(jì)錄非峰值處的漫 射分布，通過(guò)后續(xù)的圖像處理操作可以在計(jì)算機(jī)里得到CCD相機(jī)無(wú)法紀(jì)錄的灰度階。 光源系統(tǒng)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10焦點(diǎn)處 的樣品表面，實(shí)現(xiàn)不同入射天頂角下雙向反射分布的測(cè)量。繞拋物面鏡焦點(diǎn)處的樣品 表面法線(xiàn)旋轉(zhuǎn)裝置或旋轉(zhuǎn)樣品可以實(shí)現(xiàn)不同入射方位角下雙向反射分布的測(cè)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(diǎn)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位于透鏡5和透鏡7的公共焦點(diǎn)處，光闌表面為黑色吸光材料， 用于限制未經(jīng)拋物面鏡反射的光線(xiàn)通過(guò)。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。本發(fā)明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。測(cè)量樣品表面雙向反射分布的方法是在測(cè)量小樣品表面時(shí)，將樣品置于半拋物 面鏡10軸截面處，使待測(cè)樣品表面與拋物面軸截面重合且拋物面焦點(diǎn)位于樣品表面待 測(cè)區(qū)域；對(duì)于比較大的樣品表面，將測(cè)量裝置置于待測(cè)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(kāi)光源3，光束的一部分透過(guò)分束鏡4經(jīng)半拋物面鏡10 反射后照亮位于半拋物面鏡10焦點(diǎn)處的樣品表面。樣品表面的反射或散射光一部分經(jīng) 半拋物面鏡10反射后平行于主軸1射出，被分束鏡4反射變成垂直于主軸1平行于軸 8的半圓形橫截面的平行光束通過(guò)透鏡5、光闌6和透鏡7投射到CCD9上，另一部分 未經(jīng)半拋物面鏡10反射的光通過(guò)透鏡5后被光闌6阻擋并吸收。CCD9的曝光時(shí)間可 以調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同的反射或散射光強(qiáng)度。CCD9采集到的半圓形圖像經(jīng)坐標(biāo)映射可以 變換為球面坐標(biāo)中的雙向反射分布函數(shù)。將測(cè)量裝置或樣品繞焦點(diǎn)處的表面法線(xiàn)旋轉(zhuǎn) 180°測(cè)量另外四分之一球面空間的雙向反射分布函數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量表面雙向反射分布的系統(tǒng)，其特征在于包括分束鏡(4)、半拋物面反射鏡(10)、光源系統(tǒng)和成像系統(tǒng)；半拋物面反射鏡(10)置于樣品(11)的被測(cè)表面，光源系統(tǒng)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(duì)；成像系統(tǒng)置于與主軸(1)相交且垂直的軸(8)上，且位于光源系統(tǒng)的光軸上方；在光源系統(tǒng)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；所述的光源系統(tǒng)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(cè)量表面雙向反射分布的系統(tǒng)，其特征在于所述的成像 系統(tǒng)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(diǎn)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(cè)量表面雙向反射分布的系統(tǒng)，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(cè)量表面雙向反射分布的系統(tǒng)，其特征在于所述的 光闌(6)表面為黑色吸光材料。
5. —種利用權(quán)利要求1~4所述任一種系統(tǒng)測(cè)量表面雙向反射分布的方法，其特征在 于步驟如下-步驟1:測(cè)量樣品表面時(shí)，將樣品置于半拋物面鏡(10)的軸截面處，使待測(cè)樣 品表面與拋物面軸截面重合且拋物面焦點(diǎn)位于樣品表面待測(cè)區(qū)域； 步驟2:打開(kāi)系統(tǒng)光源，在CCD (9)上采集到半圓形圖像；步驟3:將CCD (9)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(diǎn)處的表面法線(xiàn)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)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于步驟1測(cè)量樣品表面時(shí)，將測(cè)量裝置 置于待測(cè)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(jù)權(quán)利要求5或6所述的任一種方法，其特征在于步驟4中將系統(tǒng)繞焦點(diǎn)處 的表面法線(xiàn)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)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)量表面雙向反射分布的系統(tǒng)，技術(shù)特征在于半拋物面反射鏡置于樣品的被測(cè)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(duì)；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(shí)間內(nèi)完成表面雙向反射分布測(cè)量，重復(fù)性誤差較小。
文檔編號(hào)G01J1/00GK101566499SQ20091002271
公開(kāi)日2009年10月28日 申請(qǐng)日期2009年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月26日
發(fā)明者駒 任, 趙建林 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)