[发明专利]用于连续光谱双向散射分布函数的测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及光学测量装置。

背景技术

双向散射分布函数(Bidirectional Scattering Distribution Function，简称BSDF)是从辐射度学出发、在几何光学的基础上描述各种材料光谱反射与透射特性的物理量。它表示了不同入射角条件下材料在任意观测角的反射与透射特性，如图1所示。

双向散射分布函数包括双向反射分布函数和双向透射分布函数，是描述材料反射与透射特性的具有唯一确定性的函数。

双向反射分布函数定义为某一反射方向上的反射辐亮度与入射到材料表面的入射辐照度的比值，其数学表达式为：

式中θ_i——入射天顶角；

——入射方位角；

θ_r——反射天顶角；

——反射方位角；

——光源照射材料表面后沿方向反射的光谱辐亮度，单位为W/(m²·sr·μm)；

——光源沿方向入射到材料表面的光谱辐照度，单位为W/(m²·μm)。

双向透射分布函数定义为某一透射方向上的透射辐亮度与入射到材料表面的入射辐照度的比值，其数学表达式为：

式中θ_i——入射天顶角；

——入射方位角；

θ_t——透射天顶角；

——透射方位角；

——光源照射材料表面后沿方向透射的光谱辐亮度，单位为W/(m²·sr·μm)；

——光源沿方向入射到材料表面的光谱辐照度，单位为W/(m²·μm)。

双向散射分布函数是入射光的波长λ，入射天顶角θ_i、入射方位角反射天顶角θ_r和反射方位角透射天顶角θ_t和透射方位角的函数，它由材料的粗糙度、密度、折射率、厚度等因素决定。

双向散射分布函数通常是通过测量实验获得。根据目前可检索的文献，最近几年在材料散射特性测量方面有了更实质性的进展。

在双向反射特性测量方面，2004年，哈尔滨工业大学自动检测与过程控制系统研究所研制了一套集光、机、电于一体的全自动BRDF测量装置，采用4种波长的激光源(0.6328μm、1.34μm、3.39μm、10.6μm)，能够测试可见到中远红外四个谱段的材料双向反射分布函数。受光源限制，无法获得连续光谱双向透射分布函数的测量数据。2007年，Biliouris等人设计了一台新型超光谱紧凑型实验室用光谱角度计。用卤灯作为光源，光谱辐射度计采用的是美国的ASD光谱辐射度计。该装置测量光谱范围为350～2500nm，采用可见、近红外和中红外三个探测器进行探测，其中可见光波段光谱分辨率为3nm，红外波段光谱分辨率为30nm。天顶角和方位角分辨率分别为15°和30°。光谱分辨率与角分辨率不高。

在双向透射特性测量方面，亚利桑那光学中心于1982年最早开展了BTDF测量研究。采用632.8nm，3.391μm，10.6μm的激光器作为光源，测量获得了3个波长的BTDF数据。同样，受光源限制，无法获得连续光谱双向透射分布函数的测量数据。2007年麻省理工学院搭建了角度测量装置，采用数字相机作为数据采集系统获得了材料双向透射分布函数的测量数据。测量谱段范围为380～1700μm，测量角范围为天顶角10～80°，方位角0°～315°，由于相机具有一定尺寸，使得测量角度受到了一定的限制。

发明内容

本发明是为了解决连续光谱BSDF无法测量、测量谱段窄与测量角度小、测量速度低的问题，提出了连续光谱双向散射分布函数快速高精度测量装置。

用于连续光谱双向散射分布函数的测量装置，其特征在于它包括控制及数据处理器、旋转控制器、照明光源发生器、双通道光纤光谱仪、照明光源探头、准直放大组件、照明光源探头支架、反射光线接收探头、反射探头支架、旋转平台、旋转台面控制端步进电机、旋转测量台面、样品环、透射光线接收探头、透射探头支架、旋转平台控制端步进电机、照明光源探头端步进电机、反射光线接收探头端步进电机、透射光线接收探头端步进电机、照明光源探头运动驱动器、反射光线接收探头运动驱动器和透射光线接收探头运动驱动器；所述照明光源探头支架、反射探头支架和透射探头支架均为1/4圆弧形齿轮结构支架；