CN102608074B - 一种新型双向反射分布函数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型双向反射分布函数测量装置，光源1固定垂直向下照明，样品支撑部件为六轴机械手，带动探测器探头2在竖直面内水平面以上作±180°转动的带探头旋转单元5，六轴机械手3和垂直旋转装置结合；样品4和探测器相结合运动，改变被照明样品法线指向及方位角和改变探测探头指向，实现半球空间内入射光线和探测方向相对于样品中心方位角和俯仰角的精确定位。

Description

一种新型双向反射分布函数测量装置

技术领域

本发明属于光学领域的一种新型双向反射分布函数(BRDF)测量装置，具体是通过六轴机械手和垂直旋转运动机构，结合垂直或者水平固定光源入射，实现半球空间范围内物体双向反射分布函数测量的装置。

背景技术

物体的双向反射分布函数(BRDF)是通过空间半球范围内不同入射方向和探测方向测量物体的光谱反射率获得，物体光谱反射率表征了物体的固有属性，通过对物体光谱反射率的测量，可以提取物体许多有用信息，因此，在工业商贸、遥感遥测、科学研究、国防军事等领域都有着广泛的应用。

照射在物体表面的光束的反射分布在与其法线垂直的平面上方立体角为2π的半球空间内，因此要知道物体表面的反射特性，我们需要在物体表面反射的2π空间内对物体的反射状况进行测量。

如图1双向反射分布函数(BRDF)测量原理图，上世纪70年代美国的Nicodemus教授提出的用来描述物体表面散射特性的物理量——双向分布函数(BRDF)。其定义为：物体表面在某一方向(φ_r，θ_r)小立体角内的反射辐亮度dL_r(单位：W·m^-2·sr^-1·nm^-1)与入射方向(φ_i，θ_i)小立体角的照度dE_i(单位：W·m^-2·nm^-1)的比值，如图1所示。可表示为如公式(1)

$f_r({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\φ}}_i;{\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r;\mathrm{\λ})=\frac{{\mathrm{dL}}_r({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\φ}}_i;{\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r;\mathrm{\λ})}{{\mathrm{dE}}_i({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\φ}}_i;\mathrm{\λ})}---\left(1\right)$

其中，dE_i(θ_i，φ_i；λ)为入射在物体上的辐照度，dL_r(θ_i，φ_i；θ_r，φ；E_i；λ)为物体反射的辐亮度，λ为单色光波长。

根据BRDF的测量原理可知，如果我们要建立一套装置来完成对样品的BRDF测量，那么光源和探测器都必需能够在反射面上方一定半径的某个半球面上移动到任意指定点。从BRDF的定义可以看出，理论上，光源和探测器均为一点，照明立体角和探测立体角均为无穷小，dL_r和dE_i均为无穷小量。因此，为了使BRDF测试装置测量的数据接近理论值，必须使照明立体角和探测立体角尽量小，即是使测量半球面半径应尽量大。

采用对双向反射比因子(BRF)的测量(定义为指定照明条件下，反射辐射光通量与理想朗伯体在该方向的反射光通量之比。当探测器接收立体角趋向于零时，BRF＝πBRDF)通过计算获取物质表面的BRDF光学特性。

目前现有的BRDF测量装置为水平和竖直双圆弧轨道实现半球范围内探测方位和天顶角的改变，设备的局限性体现在圆弧轨道遮光影响其测量结果以及受圆弧轨道加工精度影响装置角度的定位精度不高，进而导致测量系统测量不确定度较高。因此现有测量方法和手段已经不能满足当前物体表面散射特性测量的需求，需要进一步开发一种新型的测量装置满足现有的测量需求同时提高我国光学漫反射特性测量水平。

一种新型双向反射分布函数装置主要为实现半球空间内BRDF测量而设计，首次应用与BRDF测量的装置主要包括两部分，其一为支撑样品并实现定点三维空间转动的六轴机械手，其二为带动探测器光纤探头实现竖直面内±180°转动的带探头旋转单元。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种新型双向反射分布函数装置，尤其是实现样品上表面中心空间位置不变，垂直中心的法线相对于中心点进行方位角和天顶角的精确角度变换，从而实现相当于样品不动时入射光线在半球范围内的方位角和天顶角变化。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案：

一种新型双向反射分布函数测量装置，包含一个固定光源、探测器和样品支撑部件，实现半球空间内双向反射分布函数(BRDF)测量，所述固定光源向下照明，光源下方设有六轴机械手，样品支撑部件安装于六轴机械手上，样品支撑部件上夹持测试样品，六轴机械手一侧设有在垂直面内作±180°转动的探头旋转单元，探头旋转单元设有探测器，探测器指向样品中心位置；操作六轴机械手，通过改变被照明样品法线指向及方位角和转动探头旋转单元的方式，并保持样品的中心坐标不变，进行双向反射分布函数测量。

头旋转单元包括有设置于六轴机械手一侧的支座，支座上转动安装有一L形杆，L形杆的横杆上安装有探头方向垂直指向样品中心的探测

整套装置的入射照明与探测器及样品位置关系如图2所示。光源为垂直向下的照明，探测器与光源轴线的夹角为δ，

$\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_r-\cos {\mathrm{\θ}}_i\cos \mathrm{\δ}}{\cos {\mathrm{\θ}}_i\sin \mathrm{\δ}}\right)---\left(2\right)$

$\mathrm{\β}=\arcsin \left(\frac{-\sin ({\mathrm{\φ}}_r-{\mathrm{\φ}}_i)\sin {\mathrm{\θ}}_r\sin {\mathrm{\θ}}_i}{\sin \mathrm{\δ}}\right)---\left(3\right)$

$\mathrm{\γ}=\arctan \left(\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_i\sin {\mathrm{\φ}}_i\cos {\mathrm{\θ}}_r-\sin {\mathrm{\θ}}_r\sin {\mathrm{\φ}}_r\cos {\mathrm{\θ}}_i}{\sin {\mathrm{\θ}}_r\cos {\mathrm{\φ}}_r\cos {\mathrm{\θ}}_i-\sin {\mathrm{\θ}}_i\cos {\mathrm{\φ}}_i\cos {\mathrm{\θ}}_r}\right)---\left(4\right)$

δ＝arccos(cosθ_icosθ_r+sinθ_isinθ_rcos(φ_r-φ_i))         (5)

式中δ为探测器探头指向与照明光源入射方向的夹角。

夹持样品的六轴机械手和夹持探测头的探头旋转单元，使被测样品中心点在空间坐标系(x、y、z、α、β、γ)内直线运动自由度被限定实现三向转动自由度的改变，进而实现半球空间内入射光线和探测方向相对于样品中心方位角和俯仰角的精确定位。

六轴机械手通过轴转动单元实现其工作截面在空间一定范围内X/Y/Z方向的直线运动和横滚α、偏航β、俯仰γ姿态改变，需要保持工作截面中心位置XYZ不变。

本BRDF测量装置采用固定垂直向下照明光源，以样品和探测器相结合的运动方式来设计，为实现探测器在各个方向上探测各种角度入射光信号的反射信号，将自然界中原本是入射方向和探测方向改变的方式设计为通过改变被照明样品法线指向及方位角和改变探测探头指向的方式实现，整套装置的入射照明与探测器及样品位置关系如图2所示。

本发明的优点是：

现有的BRDF测量装置为水平和竖直双圆弧轨道实现半球范围内探测方位和天顶角的改变，设备的局限性体现在圆弧轨道遮光影响其测量结果以及受圆弧轨道加工精度影响装置角度的定位精度不高，进而导致测量系统测量不确定度较高。

六轴机械手轴转动单元实现其工作截面在空间一定范围内X/Y/Z方向的直线运动和横滚α、偏航β、俯仰γ姿态改变，即工作截面中心点具有六个自由度(X，Y，Z，α，β，γ)，对于BRDF测量，需要保持工作截面中心位置XYZ不变，编写BRDF测量控制程序，通过控制器自动计算出测量工作路径，实现工作截面中央法线在空间半球范围内方位角和天顶角的角度改变。配合垂直旋转运行机构满足BRDF测量角度变换需求，可以实现样品上表面中心空间位置不变，垂直中心的法线相对于中心点进行方位角和天顶角的精确角度变换，从而实现相当于样品不动时入射光线在半球范围内的方位角和天顶角变化。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明。

图1为本发明双向反射分布函数(BRDF)测试原理图。

图2为照明与探测器及样品位置关系示意图。

图3为六轴机械手。

图4为本发明新型双向反射分布函数(BRDF)测量装置示意图。

具体实施方式

本新型双向反射分布函数(BRDF)测量装置包含一个固定光源1、探测器2和样品支撑部件，实现半球空间内双向反射分布函数(BRDF)测量，其特征在于，所述固定光源向下照明，光源下方设有六轴机械手3，样品支撑部件安装于六轴机械手上，样品支撑部件上夹持测试样品4，六轴机械手一侧设有在垂直面内作±180°转动的探头旋转单元5，探头旋转单元设有探测器，探测器指向样品中心位置；操作六轴机械手，通过改变被照明样品法线指向及方位角和转动探头旋转单元的方式，六轴机械手通过轴转动单元实现其工作截面在空间一定范围内X/Y/Z方向的直线运动和横滚α、偏航β、俯仰γ姿态改变，需要保持工作截面中心位置XYZ不变，以保持样品的中心坐标不变，进行双向反射分布函数测量。探头旋转单元5包括有设置于六轴机械手一侧的支座，支座上转动安装有一L形杆，L形杆的横杆上安装有探头方向垂直指向样品中心的探测器2。

Claims (1)

1.一种新型双向反射分布函数测量装置，包含一个固定光源、探测器和样品支撑部件，实现半球空间内双向反射分布函数（BRDF）测量，其特征在于，所述固定光源向下照明，光源下方设有六轴机械手3，样品支撑部件安装于六轴机械手上，样品支撑部件上夹持测试样品4，六轴机械手一侧设有在垂直面内作±180°转动的探头旋转单元5，探头旋转单元设有探测器，探测器指向样品中心位置；操作六轴机械手，通过改变被照明样品法线指向及方位角和转动探头旋转单元的方式，六轴机械手通过轴转动单元实现其工作截面在空间一定范围内X/Y/Z方向的直线运动和横滚α、偏航β、俯仰γ姿态改变，需要保持工作截面中心位置XYZ不变，以保持样品的中心坐标不变，进行双向反射分布函数测量；探头旋转单元5包括有设置于六轴机械手一侧的支座，支座上转动安装有一L形杆，L形杆的横杆上安装有探头方向垂直指向样品中心的探测器2。