[发明专利]连续光谱双向反射分布函数测量装置

说明书

技术领域

本发明属于光谱学领域、计算机图形学和机器视觉领域，具体是一种测量测量材料表面光反射特性的装置。

背景技术

双向反射分布函数(Bidirectional Reflected Distribution Function，简称BRDF)，用来描述材料表面上半球空间的光反射特性，主要包括光谱反射特性和角度特性。该函数包含五个参数：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和反射方位角该函数定义为某一反射方向上的辐射亮度与入射到材料表面的辐射照度的比值(如图1)，其表达式为：

公式一

式中反射方向上的光谱反射辐射亮度，单位为W/(m²·sr)；——光源沿入射方向辐射到的材料表面的光谱辐射照度，单位为W/m²；——为光谱BRDF，单位为sr^-1。

最开始出现的BRDF测量装置称为角度反射测量计(gonioreflectometer)，该装置的测量数据不包含光谱信息，并且测量非常耗时。伯克利大学劳伦斯实验室的Ward对上述测量装置进行了改进，采用了一个半球形反射镜和负眼镜头，大大提高了测量速度。但是该装置不能测量光滑表面，不能测量掠入射时的情况。同样，也不包含光谱信息。

哈尔滨工业大学的戴景民研制了一种光谱BRDF测量装置，采用固定波长的激光器作为光源，因此只能测量几个波长的BRDF数据。安徽光机所设计了一个进行光谱BRDF测量装置，由于其接收器件采用的是光电倍增管，因此需要借助于标准漫反射体才能够测量光谱BRDF数据，不能够直接获得材料表面的光谱BRDF。

发明内容

本发明为了解决现有光谱BRDF测量装置不能够在可见光波段内测量连续光谱BRDF的问题，而提出了一种连续光谱双向反射分布函数测量装置。

连续光谱双向反射分布函数测量装置包括光源组件、探测器组件、测量架组件和控制及数据处理PC机；探测器组件包括光纤探头和光谱仪，测量架组件包括样品环、样品水平和竖直方向旋转支架、探测器位置调整支架和旋转控制器；样品环安装在样品水平和竖直方向旋转支架上，所述的样品环的中心点为旋转中心，所述的样品水平和竖直方向旋转支架用于带动样品环以旋转中心为中心点在水平面上和垂直于水平面的竖直面上旋转；光纤探头安装在探测器位置调整支架上，并且光纤探头的光路指向旋转中心，所述的探测器位置调整支架用于带动光纤探头以旋转中心为中心点在水平面上旋转，还用于带动光纤探头做一维直线运动，所述运动轨迹的直线穿过旋转中心，光纤探头的信号输出端连接光谱仪的输入端；旋转控制器用于控制样品水平和竖直方向旋转支架和探测器位置调整支架的旋转；光谱仪的测量信号输出端和旋转控制器的控制信号输入端分别连接控制及数据处理PC机的测量信号输入端和控制信号输出端；光源组件的光束照射在样品环上。

该装置主要优点就是可以测量在可见光波段内的连续光谱BRDF，该测量装置还可以测量粗糙表面，同样也可以测量具有高反射率的光滑表面。光谱BRDF能够真实的反映材料表面属性，比如光泽度、粗糙度、颜色等。因此，通过测量获得材料表面的真实光谱BRDF数据对研究表面特性很有帮助。测量的光谱BRDF数据不但可以验证理论BRDF模型的下确性，而且还可以直接应用在计算机图形学中，使构造的物体更加真实。同样，在计算机视觉中，利用测量的光谱BRDF数据识别不同的材料，进而对物体进行识别。因此，本发明的光谱BRDF测量装置是十分有意义的，为实验室研究材料BRDF提供实验验证。

本发明的光谱双向反射分布函数测量装置的优点在于：

1、能够获得连续的光谱BRDF数据；

2、具有较快的测量速度；

3、测量精度高；

4、测量装置经济可行。

本发明是一种装置简单、经济可行的快速连续光谱BRDF测量装置。在整个测量过程中，采用PC机通过步进电机控制器控制电控旋转台的旋转角度，以此实现角度的变化，提高了角度旋转的速度和精度。入射辐射照度和反射辐射出射度均用光纤光谱仪进行测量，反射辐射出射度通过后续数据处理便可得到相应的反射辐射亮度。这样用一种仪器便可以实现光谱BRDF的测量，改变了传统的BRDF测量需要照度计和亮度计两种仪器，节省了装置成本。

附图说明