BRDF雙向反射分布函數(shù)測量儀

雙向反射分布函數(shù)測量儀（BRDF）

技術(shù)方案書

一、測量原理

1、雙向反射分布函數(shù)定義

雙向反射分布函數(shù)(Bidirectional Reflectance Distribution Function)表示了不同入射角條件下物體表面在任意觀測角的反射特性，如圖1所示。雙向反射分布函數(shù)是光輻射的反射輻亮度和入射輻照度的比值。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

（1）式中：為入射光的入射角和方位角，為反射光的反射角和方位角，是面元經(jīng)照射后在（）方向上的輻照度，單位為，是方向上入射光產(chǎn)生的表面輻照度，單位為。則的單位為。的物理意義是沿著方向（）出射的輻照度與方向入射在被測表面產(chǎn)生的輻照度之比。雙向反射分布函數(shù)是入射角（），反射角（）、波長的函數(shù)。

圖1 光反射幾何圖

2、雙向透射分布函數(shù)定義

雙向透射分布函數(shù)(Bidirectional Transmittance Distribution Function)表示了不同入射角條件下物體表面在任意觀測角的透射特性，如圖2所示。雙向透射分布函數(shù)是光輻射的透射輻亮度和入射輻照度的比值。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

（2）式中：為入射光的入射角和方位角，為反射光的反射角和方位角，是面元經(jīng)照射后在（）方向上的輻照度，單位為，是方向上入射光產(chǎn)生的表面輻照度，單位為。則的單位為。的物理意義是沿著方向（）出射的輻照度與方向入射在被測表面產(chǎn)生的輻照度之比。雙向反射分布函數(shù)是入射角（）、反射角（）、波長的函數(shù)。

圖2 光透射幾何圖

二、測量方案

根據(jù)雙向反射/透射分布函數(shù)的定義，BRDF測量方法是分別測出入射光譜輻照度和反射光譜輻亮度，兩者之比即為BRDF。

注：本方案中采用相對(duì)反射率測量方法

雙向反射分布函數(shù)的測量平臺(tái)如圖3所示。照明光纖探頭和接收光纖探頭分別固定在帶滑軌的懸臂梁上，測試材料樣片放置在樣品臺(tái)上，通過懸臂梁的圓周運(yùn)動(dòng)以及照明和接收光纖探頭在懸臂梁上的滑動(dòng)獲得不同的光照與觀測條件。整個(gè)過程在計(jì)算機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與處理。

整個(gè)測量設(shè)備包括照明系統(tǒng)、探測系統(tǒng)、測量機(jī)械系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。在測量過程中，通過接口軟件將輻射測量軟件和測量機(jī)械系統(tǒng)的控制軟件整合在一起，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)的整個(gè)測量過程，使得實(shí)驗(yàn)操作起來簡便、快速、省時(shí)。同時(shí)，研制數(shù)據(jù)采集軟件，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并輸出結(jié)果。

圖3 BRDF測量平臺(tái)

1、 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)支架采用鋁合金型材搭建，外表美觀，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

2、 光源及探測器支架采用噴涂低反射比鋁合金制成，探測器以導(dǎo)軌做導(dǎo)向?qū)崿F(xiàn)角度范圍的測量；探頭部分光纖連接，光纖有最小彎折半徑要求，入射光源與探測部分原則上均通過光纖引出和引入。

3、光源安裝在外弓上，直徑可選，可以一個(gè)自由度旋轉(zhuǎn)。探測器安裝在內(nèi)弓上，可以2個(gè)自由度旋轉(zhuǎn)。樣品安裝在底座旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)自由度旋轉(zhuǎn)。通過組合可以實(shí)現(xiàn)BRDF所有條件的測量。

4、樣品臺(tái)固定，不跟隨旋轉(zhuǎn)臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)照明角度和探測角度的任意調(diào)整。

5、 電腦軟件操作控制系統(tǒng)電機(jī)移動(dòng)（在一臺(tái)電腦上的一個(gè)軟件中，調(diào)節(jié)方便），實(shí)現(xiàn)精確的點(diǎn)位控制，最小角度分辨率0.1-0.5°，角度調(diào)節(jié)速度可控。

三、指標(biāo)要求

BRDF測量儀技術(shù)指標(biāo)

四、雙向反射分布函數(shù)測量儀操作軟件

1. 該軟件主要功能包括運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制、光譜儀控制、手動(dòng)/全自動(dòng)測量、數(shù)據(jù)采集保存。

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)共有四個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度：旋轉(zhuǎn)臺(tái)（方位0~360°）、照明臂（俯仰0~90°）、反射測量臂（俯仰0~90°）和透射測量臂（60°~90°），對(duì)應(yīng)1~4軸號(hào)（注：本方案中沒有透射測量臂）。通過該軟件能控制這四個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如移動(dòng)到目標(biāo)角度、置零、回原點(diǎn)、停止等，并能顯示當(dāng)前狀態(tài)，如當(dāng)前角度等，如下圖所示

1. 光譜儀控制：

（1）顯示已連接的光譜儀通道，可設(shè)置測量光譜間隔。

（2）選擇測量模式為幅度模式或反射/透射模式。在選擇反射/透射模式前需進(jìn)行存白、存黑操作。

（3）顯示光譜儀默認(rèn)的測量參數(shù)，并可對(duì)“平滑像素"、“平均次數(shù)"、“積分時(shí)間"等參數(shù)進(jìn)行更改。

（4）在幅度模式下，在點(diǎn)擊“開始測量"按鈕得到光譜后，通過點(diǎn)擊“存白"按鈕保存參考，點(diǎn)擊“存黑"按鈕保存暗背景。

2. 手動(dòng)采集：通過軟件設(shè)置運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的角度位置和光譜儀參數(shù)，點(diǎn)擊“手動(dòng)測量"可采集一次反射/投射數(shù)據(jù)。

3. 全自動(dòng)采集：該軟件能控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和光譜儀協(xié)同工作，以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)反射數(shù)據(jù)采集。

(1) 設(shè)定平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方案

①、設(shè)定旋轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)整角度范圍（起始角度和終止角度）、步進(jìn)角度；

②、設(shè)定照明臂調(diào)整角度范圍（起始角度和終止角度）、步進(jìn)角度；

③、設(shè)定反射/透射臂調(diào)整角度范圍（起始角度和終止角度）、步進(jìn)角度；

注：調(diào)整角度范圍應(yīng)是步進(jìn)角度的整數(shù)倍；在一個(gè)測量方案中，旋轉(zhuǎn)臺(tái)、照明臂、反射/透射臂的角度可以是固定在某個(gè)角度，將該軸的起始角度和終止角度設(shè)成某一相同值即可。

(2) 設(shè)定光譜儀參數(shù)

(3) 點(diǎn)擊“全自動(dòng)測量"，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)各軸跑到起始角度，然后按照先進(jìn)行三級(jí)掃描——反射/透射臂（探測臂俯仰角）掃描，再進(jìn)行二級(jí)掃描——旋轉(zhuǎn)臺(tái)（探測方位角）掃描，最后進(jìn)行一級(jí)掃描——照明臂掃描的順序運(yùn)動(dòng)。

(4) 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)每跑到一個(gè)位置，需穩(wěn)定一段時(shí)間，然后光譜儀再進(jìn)行測量采集。

4. 數(shù)據(jù)保存

光譜儀的每一次測量都輸出的一組數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為兩列，第一列是波長，第二列是與波長對(duì)應(yīng)的反射/透射比。該數(shù)據(jù)保存為txt文件，文件名中包含測量序號(hào)以及三個(gè)角度信息如：“2.12.128_照明臂角度_探測臂方位角度_探測臂俯仰角度.txt"。其中，測量序號(hào)的格式為“一級(jí)掃描序號(hào).二級(jí)掃描序號(hào).三級(jí)掃描序號(hào)"，例如“2.12.128"的含義為照明臂第2個(gè)掃描位置. 旋轉(zhuǎn)臺(tái)第12個(gè)掃描位置. 探測臂第128個(gè)掃描位置。

五、功能與配置

1. 功能

各種材料可見光至近紅外雙向反射分布函數(shù)(雙向透射分布函數(shù))的自動(dòng)測量。

2. 配置

(1) 光譜儀：單通道

(2) 測量平臺(tái)：三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度

(3) 測量儀與轉(zhuǎn)臺(tái)的接口軟件；

(4) 光譜測量軟件；

(5) 控制/測量計(jì)算機(jī)（為了便于測量，需配置1臺(tái)高性能筆記本電腦，用于測量數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)）