高精度偏振二向反射自動測量儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高精度偏振二向反射自動測量儀，包括激光器、光纖耦合器和自動調(diào)節(jié)收發(fā)器，激光器和光纖耦合器之間放置斬波器；該自動調(diào)節(jié)收發(fā)器包括伺服電機(jī)、同軸的發(fā)射臂和接收臂，發(fā)射臂和接收臂上均安裝有數(shù)字角度計，數(shù)字角度計與上位機(jī)連接；伺服電機(jī)控制接收臂在主平面的轉(zhuǎn)動，光纖耦合器通過光纖與發(fā)射臂上的發(fā)射套筒連接，發(fā)射套筒中的光照射到樣品臺的樣品上；接收臂上安裝有接收套筒，該接收套筒內(nèi)設(shè)有光信號采集模塊，采集的光信號被輸入到第一鎖相放大器；信號經(jīng)第一鎖相放大器處理后，將處理結(jié)果輸入上位機(jī)，上位機(jī)再對信號進(jìn)行處理并顯示處理結(jié)果。
【專利說明】高精度偏振二向反射自動測量儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及定量遙感，計算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域，特別涉及能測量材料高精度偏振二向反射自動測量儀。

【背景技術(shù)】
[0002]雙向反射分布函數(shù)(Bidirect1nalReflected Distribut1n Funct1n,后面簡稱BRDF)，用來描述材料表面上半球空間的光反射特性，主要包括光譜反射特性和角度特性。
[0003]該函數(shù)定義為某一反射方向上的輻射亮度與入射到材料表面的輻射照度的比值，其表達(dá)式為公式(I):
____________m h u —俱4次4 j)/,、
[0004]X- Wi.>Φ, >.>) —n , —~(I)

?Ε^Θ,,φ^Α)
[0005]其中dEiPi，Φ?;λ)為光源沿著(θρ φ)入射方向輻射到物體表面的輻照度，單位為W/m2 ；dLr( Θ i，Φ? ; Θ M ; λ )為(θ M φ J反射方向上物體表面反射的輻亮度，單位為W/(m2*sr), λ為單色光波長；fr( Θ j, Φ i ； Θ r, φΓ ； λ )即為BRDF,單位為sr'
[0006]主平面，即入射光與反射光構(gòu)成的平面。
[0007]線偏振度(DOLP)，圓偏振比(μ。)，線偏振比(μ //和μ丄)定義如下:
[0008]DOLP = - 1(2)

I十/
[0009]β￡(3)

Ico
[0010]JuU =~~^(4)

1.ΡΡ



--Ζ\
[0011]Ιο；

? <.<.>3ii
[0012]在公式(1)-(4)中，“C”代表圓偏振光，“0”和“S”分別代表相反和相同的旋向?！癙”和“S”代表與散射平面平行和垂直的電場方向。例如Ips代表散射光沿著S方向偏振，入射光沿著“P”方向偏振。
[0013]現(xiàn)有的BRDF測量裝置一般只能測量強(qiáng)度信息，幾乎沒有涉及偏振測量，因為偏振測量包含許多復(fù)雜的設(shè)計環(huán)節(jié)。
[0014]熱點效應(yīng)，很多密堆積顆粒表面的BRDF表現(xiàn)出很強(qiáng)的背散射增強(qiáng)效應(yīng)，即當(dāng)相角(入射光和散射光之間的夾角)趨向于零時(即順著入射光線方向觀測)，BRDF有很大的增強(qiáng)，俗稱“熱點效應(yīng)”(Hot spot或者Opposit1n Effect)。而伴隨著背散射增強(qiáng)的出現(xiàn)，線性偏振度(DOP)往往會出現(xiàn)負(fù)值，即所謂的負(fù)偏振效應(yīng)(Negative Polarizat1nEffect, NPE)。對于熱點效應(yīng)精細(xì)結(jié)構(gòu)的探測，需要很高的角分辨率，也就是需要探測器離開樣品非常遠(yuǎn)，長度增加會使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，需要在設(shè)計中小心考慮。本發(fā)明的設(shè)計探測距離是2000mm，目前還未發(fā)現(xiàn)長度與之類似的發(fā)明。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的在于提供一種新型偏振二向反射自動測量裝置，能夠自動對于主平面內(nèi)反射光強(qiáng)度和偏振信息進(jìn)行測量，并保證很高的精度。
[0016]實現(xiàn)本發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案是:
[0017]提供一種高精度偏振二向反射自動測量儀，包括激光器、光纖耦合器和自動調(diào)節(jié)收發(fā)器，激光器和光纖耦合器之間放置斬波器；
[0018]該自動調(diào)節(jié)收發(fā)器包括伺服電機(jī)、同軸的發(fā)射臂和接收臂，發(fā)射臂和接收臂上均安裝有數(shù)字角度計，數(shù)字角度計與上位機(jī)連接；伺服電機(jī)控制接收臂在主平面的轉(zhuǎn)動，光纖耦合器通過光纖與發(fā)射臂上的發(fā)射套筒連接，發(fā)射套筒中的光照射到樣品臺的樣品上；接收臂上安裝有接收套筒，該接收套筒內(nèi)設(shè)有光信號采集模塊，用于采集樣品反射的光信號，采集的光信號被輸入到第一鎖相放大器；信號經(jīng)第一鎖相放大器處理后，將處理結(jié)果輸入上位機(jī)，上位機(jī)再對信號進(jìn)行處理并顯示處理結(jié)果。
[0019]本發(fā)明所述的高精度偏振二向反射自動測量儀中，樣品的表面上方還設(shè)有監(jiān)視器，該監(jiān)視器輸出的信號被輸入到第二鎖相放大器，信號經(jīng)第二鎖相放大器處理后，將處理結(jié)果輸入上位機(jī)，上位機(jī)對兩個鎖相放大器的信號進(jìn)行處理，扣除背景噪聲。
[0020]本發(fā)明所述的高精度偏振二向反射自動測量儀中，所述光信號采集模塊為光電二極管。
[0021]本發(fā)明所述的高精度偏振二向反射自動測量儀中，所述接收套筒內(nèi)設(shè)有陷波濾波器、1/4玻片、線偏振片、透鏡和光闌和光電二極管，陷波濾波器透過特定波長的激光信號，通過旋轉(zhuǎn)1/4玻片和線偏振片處于不同的相對角度，來探測不同的偏振信號，光信號經(jīng)過透鏡聚焦，打到光電二極管上，光電二極管將光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出到第一鎖相放大器。
[0022]本發(fā)明所述的高精度偏振二向反射自動測量儀中，發(fā)射套筒內(nèi)設(shè)有光纖發(fā)射頭、線偏振片、1/4玻片和透鏡，激光通過光纖耦合器進(jìn)入光纖，由光纖發(fā)射頭發(fā)出，旋轉(zhuǎn)線偏振片和1/4玻片處于不同的相對角度，得到實驗所需的偏振光。
[0023]本發(fā)明所述的高精度偏振二向反射自動測量儀中，自動調(diào)節(jié)收發(fā)器通過底板固定在光學(xué)平臺上，該自動調(diào)節(jié)收發(fā)器包括基座，基座上固定減速器和伺服電機(jī)；發(fā)射臂由發(fā)射臂夾持器固定，發(fā)射臂夾持器固定在基座前擋板上；接收臂由接收臂夾持器固定，接收臂夾持器固定在主軸上，主軸與基座前擋板由軸承固定，主軸與減速器輸出軸之間通過聯(lián)軸器連接。
[0024]本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:本發(fā)明通過伺服電機(jī)控制，通過自主設(shè)計的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，帶動接受臂自動采集數(shù)據(jù)，減少了人為干預(yù)，極大提高了效率和準(zhǔn)確度。另外，本發(fā)明通過設(shè)計一個獨立的監(jiān)視器，通過兩個鎖相放大器對噪聲監(jiān)控并扣除，提高了系統(tǒng)的性噪比。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中:
[0026]圖1為本發(fā)明高精度偏振二向反射自動測量儀的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明高精度偏振二向反射自動測量儀的主體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖3為本發(fā)明實施例接收光學(xué)套筒原理結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖4為本發(fā)明實施例發(fā)射光學(xué)套筒原理結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0030]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0031]【具體實施方式】一:結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式中高精度偏振二向反射自動測量儀包括發(fā)射套筒I，接收套筒14，發(fā)射臂2，接收臂13，發(fā)射臂夾持器3，接收臂夾持器12，數(shù)字角度計4，光纖耦合器5，激光器6，斬波器7，樣品臺8，鎖相放大器11等部件。
[0032]激光器6產(chǎn)生激光光源，并可通過更換不同的激光器來選擇不同波長的激光光源，如可選633nm, 532nm, 473nm三種波長激光光源，激光由激光器發(fā)射。激光通過斬波器7調(diào)制，由光纖耦合器5將激光導(dǎo)入光纖中，光纖一端被固定在發(fā)射臂2的發(fā)射套筒I上，發(fā)射套筒I由支桿15支撐。待測樣品放于樣品臺8上。光纖發(fā)射端距離樣品臺8約2000mm遠(yuǎn)。
[0033]發(fā)射臂2由發(fā)射臂夾持器3固定，發(fā)射臂夾持器3固定在基座前擋板17上，并且可以通過旋松螺絲10調(diào)節(jié)發(fā)射臂夾持器3轉(zhuǎn)動到一定角度并固定。發(fā)射臂可通過手動調(diào)節(jié)，在主平面O?180° (主平面為入射光與反射光構(gòu)成的平面)范圍內(nèi)固定。接收臂13由伺服電機(jī)22控制，可以精確在主平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，最小分辨角0.1°。
[0034]同樣，接收臂13由接收臂夾持器12固定，接收臂13上安放有接收套筒14。發(fā)射臂2與接收臂13同軸，接收臂13通過一根主軸19和聯(lián)軸器20與減速器21相連，減速器21的動力由伺服電機(jī)22提供。主軸19與基座前擋板17由軸承18固定。在伺服電機(jī)22的控制下，接收臂13能夠在主平面內(nèi)轉(zhuǎn)動到特定角度并固定?；?3用于固定減速器21和伺服電機(jī)22。整套裝置固定在底板24上，底板24可通過螺絲固定在光學(xué)平臺上。
[0035]為保證接收臂13在轉(zhuǎn)動過程中的穩(wěn)定，設(shè)計接收臂壓板16將接收臂壓緊在接收臂夾持器12上。接收套筒14的輸出信號被輸入鎖相放大器11中處理，最后，將鎖相放大器11的處理結(jié)果和數(shù)字角度計4的角度信息共同輸入到上位機(jī)中，可通過軟件處理后，顯示出來。
[0036]本發(fā)明的一個較佳實施例中，樣品的表面上方還設(shè)有監(jiān)視器9，該監(jiān)視器9輸出的信號被輸入到另一鎖相放大器，信號經(jīng)該鎖相放大器處理后，將處理結(jié)果輸入上位機(jī)，上位機(jī)對兩個鎖相放大器的信號進(jìn)行處理可扣除背景噪聲。
[0037]【具體實施方式】二:結(jié)合圖3和圖4說明本實施方式，本實施方式與實施方式一的不同點在于測量偏振信息，其他可參考實施方式一。接收套筒14主要包括接收套筒筒體，陷波濾波器26，1/4玻片27，線偏振片28，透鏡29，光闌30，光電二極管31。接收套筒14中的陷波濾波器26只能透過特定波長的激光信號，提高了系統(tǒng)的信噪比。通過旋轉(zhuǎn)1/4玻片27和線偏振片28，使其處于不同的相對角度，來檢測特定偏振方向光，然后，光信號經(jīng)過透鏡29聚焦,打到光電二極管31上,光電二極管31將光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。光闌30有助于消除雜散光。整套光學(xué)元件都固定在接收套筒14內(nèi)部。
[0038]發(fā)射套筒I包括發(fā)射套筒筒體、光纖發(fā)射頭35、線偏振片34、1/4玻片33和透鏡32。首先，激光通過光纖耦合器進(jìn)入光纖，由發(fā)射套筒I中的光纖發(fā)射頭35發(fā)出，通過旋轉(zhuǎn)線偏振片34，1/4玻片33處于不同的相對角度，得到實驗所需的偏振光。
[0039]理論上BRDF的測量只需通過固定入射光，并把探測器置于不同角度，檢測不同幾何條件下的反射光強(qiáng)度即可。但由于需要一系列的BRDF數(shù)據(jù)，并且需要記錄下來，人工操作非常繁瑣，且容易出錯。本發(fā)明通過伺服電機(jī)控制，通過自主設(shè)計的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，帶動接受轉(zhuǎn)臂自動采集數(shù)據(jù)，并由自主開發(fā)的軟件自動采集，處理，記錄數(shù)據(jù)，減少了人為干預(yù)，極大提高了效率和準(zhǔn)確度。
[0040]對于BRDF測量，角分辨率也是一個評價儀器的重要指標(biāo)。角分辨率指的是探測器能夠探測到的最小角度下的反射光強(qiáng)。其與探測器離開樣品表面的距離呈正比。但臂長過長則會大大提高設(shè)計難度，影響儀器穩(wěn)定性。本發(fā)明通過自主設(shè)計的機(jī)械結(jié)構(gòu)，改良伺服電機(jī)的控制算法，使在測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定的前提下，設(shè)計臂長2000_，角分辨率0.1°，實現(xiàn)了高精度測量。另外，由于激光器散粒噪聲的存在以及光纖耦合過程中噪聲的引入，光源的不穩(wěn)定是影響該類儀器精度的一大因素。本發(fā)明通過設(shè)計一個獨立的監(jiān)視器，通過兩個鎖相放大器對噪聲監(jiān)控并扣除，提高了系統(tǒng)的性噪比。
[0041]應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種高精度偏振二向反射自動測量儀，其特征在于，包括激光器、光纖稱合器和自動調(diào)節(jié)收發(fā)器，激光器和光纖耦合器之間放置斬波器； 該自動調(diào)節(jié)收發(fā)器包括伺服電機(jī)、同軸的發(fā)射臂和接收臂，發(fā)射臂和接收臂上均安裝有數(shù)字角度計，數(shù)字角度計與上位機(jī)連接；伺服電機(jī)控制接收臂在主平面的轉(zhuǎn)動，光纖耦合器通過光纖與發(fā)射臂上的發(fā)射套筒連接，發(fā)射套筒中的光照射到樣品臺的樣品上；接收臂上安裝有接收套筒，該接收套筒內(nèi)設(shè)有光信號采集模塊，用于采集樣品反射的光信號，采集的光信號被輸入到第一鎖相放大器；信號經(jīng)第一鎖相放大器處理后，將處理結(jié)果輸入上位機(jī)，上位機(jī)再對信號進(jìn)行處理并顯示處理結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度偏振二向反射自動測量儀，其特征在于，樣品的表面上方還設(shè)有監(jiān)視器，該監(jiān)視器輸出的信號被輸入到第二鎖相放大器，信號經(jīng)第二鎖相放大器處理后，將處理結(jié)果輸入上位機(jī)，上位機(jī)對兩個鎖相放大器的信號進(jìn)行處理，扣除背景噪聲。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高精度偏振二向反射自動測量儀，其特征在于，所述光信號采集模塊為光電二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高精度偏振二向反射自動測量儀，其特征在于，所述接收套筒內(nèi)設(shè)有陷波濾波器、1/4玻片、線偏振片、透鏡和光闌和光電二極管，陷波濾波器透過特定波長的激光信號，通過旋轉(zhuǎn)1/4玻片和線偏振片處于不同的相對角度，來探測不同的偏振信號，光信號經(jīng)過透鏡聚焦，打到光電二極管上，光電二極管將光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出到第一鎖相放大器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高精度偏振二向反射自動測量儀，其特征在于，發(fā)射套筒內(nèi)設(shè)有光纖發(fā)射頭、線偏振片、1/4玻片和透鏡，激光通過光纖耦合器進(jìn)入光纖，由光纖發(fā)射頭發(fā)出，旋轉(zhuǎn)線偏振片和1/4玻片處于不同的相對角度，得到實驗所需的偏振光。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度偏振二向反射自動測量儀，其特征在于，自動調(diào)節(jié)收發(fā)器通過底板固定在光學(xué)平臺上，該自動調(diào)節(jié)收發(fā)器包括基座，基座上固定減速器和伺服電機(jī)；發(fā)射臂由發(fā)射臂夾持器固定，發(fā)射臂夾持器固定在基座前擋板上；接收臂通過接收臂夾持器固定，接收臂夾持器固定在主軸上，主軸與基座前擋板由軸承固定，主軸與減速器輸出軸之間通過聯(lián)軸器連接。
【文檔編號】G01N21/01GK104266968SQ201410453509
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月5日
【發(fā)明者】金偉東, 張昊 申請人:中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）