[发明专利]任意形状样品多光谱双向反射分布函数的测量方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学测量仪器，具体是一种多光谱双向反射分布函数测量系统及方法。

背景技术

双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function，简称BRDF)指的是物体表面微面元沿着出射的光谱辐射亮度dL_r(单位为W/(m²·sr·μm))与沿着入射方向入射到被测表面的光谱辐照度dE_i(单位为W/(m²·μm))的比值，如图1所示，其公式表示如下：

式中θi和φi分别表示入射方向的天顶角和方位角，θr和φr分别表示反射方向的天顶角和方位角，入射光波长为λ。双向反射分布函数是一个具有五个维度的函数。

通常用全向反射度计来测量双向反射分布函数，其包括光源、样品夹持装置、探测器和精密转角装置。中国科学院安徽光机所的魏庆农等建立了一套全自动双向反射分布函数测量系统,可以测量半球空间内几乎所有角度下的偏振双向反射分布函数。中国科学院长春光机所的金锡峰等完成的测量系统同样可以实现对双向反射分布函数的测量。国内其他全向反射度计的研究单位主要包括哈尔滨工业大学、西安电子科技大学和北京航空航天大学等。这些全向反射度计主要用于研究典型材质的散射特性和其与材质光学特性的关系。大多数这类全向反射度计使用激光光源，只能得到若干个离散波长散射光的测量值；少数这类仪器通过使用宽谱光源和分光光度计可以测量宽谱双向反射分布函数。但是这类全向反射度计只能测量特制的平面样品，不能测量任意形状曲面样品。

基于成像原理的方法可以用来测量任意形状曲面样品。现有技术中，可以采用固定点光源，通过移动一台CCD摄像机从若干预先标定的位置和角度对同一物体拍摄了多幅照片，在已知物体几何形状数据的情况下，通过逆向绘制算法获得了具有均匀材质的曲面物体的双向反射分布函数；还可以利用一个转臂在一个平面内旋转光源，通过一个固定的相机对球形样品拍摄照片实现双向反射分布函数的测量；还可以通过将非各向同性的材料按不同表面纹理方向切割为条状样品，并将这些条状样品依次粘贴在一个柱体上，实现了对非各向同性物体4维双向反射分布函数的测量。斯坦福大学的Spherical Gantry包括两个可以旋转的机械臂以改变光源和相机相对于样品的位置。北京航空航天大学的马宗泉等建立的多相机多光源阵列测量系统可以对任意形状物体均匀材质的双向反射分布函数进行测量。这种方法的优点是测量效率高，可以测量任意形状的样品，缺点是只支持RGB颜色通道上的数据采集，光谱分辨率不高。同时这类测量平台往往需要与一个三维重建系统配合工作，以获得任意形状样品表面的采样点的法线数据，导致测量效率较低。

综上，当前已有的双向反射分布函数测量系统大多只能测量平面样品的多光谱双向反射分布函数或任意形状样品在RGB三个通道上的双向反射分布函数。没有可以测量任意形状样品的多光谱双向反射分布函数测量仪器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何测量任意形状的样品的多光谱双向反射分布函数。

为此目的，本发明提出了一种能够测量任意形状样品的多光谱双向反射分布函数的多光谱双向反射分布函数测量系统及方法。

本发明提供一种多光谱双向反射分布函数测量系统，包括：

球形支架，用于固定LED准直光源、成像光谱仪和投影仪；

样品支架，设置于所述球形支架的中心位置，用于承载待测样品；

光源阵列单元，包括多个所述LED准直光源，多个所述LED准直光源均匀分布于所述球形支架上，并且每个所述LED准直光源的光轴指向所述球形支架的中心，所述光源阵列单元用于从不同方向向所述待测样品投射准直光束；

投影仪阵列单元，包括多个所述投影仪，多个所述投影仪均匀分布于所述球形支架上，并且每个所述投影仪的光轴指向所述球形支架的中心，所述投影仪阵列单元用于向所述待测样品表面投射格雷码图像；

成像光谱仪阵列单元，包括多个所述成像光谱仪，多个所述成像光谱仪均匀分布于所述球形支架上，并且每个所述成像光谱仪的光轴指向所述球形支架的中心，所述成像光谱仪阵列单元用于采集所述待测样品在被所述投影仪投射格雷码图像时或所述LED准直光源照射时的样品图像；