雙向反射分布函數測量係統

                                     BRDF雙向反射分布函數測量儀(yi)

雙向反射分布函數測量儀(yi) （BRDF）

技術方案書(shu)

一、測量原理

1、雙向反射分布函數定義(yi)

雙向反射分布函數(Bidirectional Reflectance Distribution Function)表示了不同入射角條件下物體(ti) 表麵在任意觀測角的反射特性，如圖1所示。雙向反射分布函數是光輻射的反射輻亮度和入射輻照度的比值。其數學表達式為(wei)

（1）式中：為(wei) 入射光的入射角和方位角，為(wei) 反射光的反射角和方位角，是麵元經照射後在（）方向上的輻照度，單位為(wei) ，是方向上入射光產(chan) 生的表麵輻照度，單位為(wei) 。則的單位為(wei) 。的物理意義(yi) 是沿著方向（）出射的輻照度與(yu) 方向入射在被測表麵產(chan) 生的輻照度之比。雙向反射分布函數是入射角（），反射角（）、波長的函數。

圖1 光反射幾何圖

2、雙向透射分布函數定義(yi)

雙向透射分布函數(Bidirectional Transmittance Distribution Function)表示了不同入射角條件下物體(ti) 表麵在任意觀測角的透射特性，如圖2所示。雙向透射分布函數是光輻射的透射輻亮度和入射輻照度的比值。其數學表達式為(wei)

（2）式中：為(wei) 入射光的入射角和方位角，為(wei) 反射光的反射角和方位角，是麵元經照射後在（）方向上的輻照度，單位為(wei) ，是方向上入射光產(chan) 生的表麵輻照度，單位為(wei) 。則的單位為(wei) 。的物理意義(yi) 是沿著方向（）出射的輻照度與(yu) 方向入射在被測表麵產(chan) 生的輻照度之比。雙向反射分布函數是入射角（）、反射角（）、波長的函數。

圖2 光透射幾何圖

二、測量方案

根據雙向反射/透射分布函數的定義(yi) ，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(liang) 者之比即為(wei) BRDF。

注：本方案中采用相對反射率測量方法

雙向反射分布函數的測量平台如圖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台上，通過懸臂梁的圓周運動以及照明和接收光纖探頭在懸臂梁上的滑動獲得不同的光照與(yu) 觀測條件。整個(ge) 過程在計算機的控製下實現數據的自動采集與(yu) 處理。

整個(ge) 測量設備包括照明係統、探測係統、測量機械係統和數據處理係統。在測量過程中，通過接口軟件將輻射測量軟件和測量機械係統的控製軟件整合在一起，通過計算機自動控製實驗的整個(ge) 測量過程，使得實驗操作起來簡便、快速、省時。同時，研製數據采集軟件，實時進行數據采集並輸出結果。

圖3 BRDF測量平台

1、 係統整體(ti) 結構支架采用鋁合金型材搭建，外表美觀，結構穩定。

2、 光源及探測器支架采用噴塗低反射比鋁合金製成，探測器以導軌做導向實現角度範圍的測量；探頭部分光纖連接，光纖有最小彎折半徑要求，入射光源與(yu) 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(ge) 自由度旋轉。探測器安裝在內(nei) 弓上，可以2個(ge) 自由度旋轉。樣品安裝在底座旋轉台上，可以實現一個(ge) 自由度旋轉。通過組合可以實現BRDF所有條件的測量。

4、樣品台固定，不跟隨旋轉台一起轉動，從(cong) 而實現照明角度和探測角度的任意調整。

5、 電腦軟件操作控製係統電機移動（在一台電腦上的一個(ge) 軟件中，調節方便），實現精確的點位控製，最小角度分辨率0.1-0.5°，角度調節速度可控。

三、指標要求

BRDF測量儀(yi) 技術指標

四、雙向反射分布函數測量儀(yi) 操作軟件

1. 該軟件主要功能包括運動平台控製、光譜儀(yi) 控製、手動/全自動測量、數據采集保存。

運動平台共有四個(ge) 旋轉自由度：旋轉台（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°），對應1~4軸號（注：本方案中沒有透射測量臂）。通過該軟件能控製這四個(ge) 軸的運動參數，如移動到目標角度、置零、回原點、停止等，並能顯示當前狀態，如當前角度等，如下圖所示

1. 光譜儀(yi) 控製：

（1）顯示已連接的光譜儀(yi) 通道，可設置測量光譜間隔。

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

（3）顯示光譜儀(yi) 默認的測量參數，並可對“平滑像素"、“平均次數"、“積分時間"等參數進行更改。

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

2. 手動采集：通過軟件設置運動平台的角度位置和光譜儀(yi) 參數，點擊“手動測量"可采集一次反射/投射數據。

3. 全自動采集：該軟件能控製運動平台和光譜儀(yi) 協同工作，以實現全自動反射數據采集。

(1) 設定平台運動方案

①、設定旋轉台調整角度範圍（起始角度和終止角度）、步進角度；

②、設定照明臂調整角度範圍（起始角度和終止角度）、步進角度；

③、設定反射/透射臂調整角度範圍（起始角度和終止角度）、步進角度；

注：調整角度範圍應是步進角度的整數倍；在一個(ge) 測量方案中，旋轉台、照明臂、反射/透射臂的角度可以是固定在某個(ge) 角度，將該軸的起始角度和終止角度設成某一相同值即可。

(2) 設定光譜儀(yi) 參數

(3) 點擊“全自動測量"，運動平台各軸跑到起始角度，然後按照先進行三級掃描——反射/透射臂（探測臂俯仰角）掃描，再進行二級掃描——旋轉台（探測方位角）掃描，最後進行一級掃描——照明臂掃描的順序運動。

(4) 運動平台每跑到一個(ge) 位置，需穩定一段時間，然後光譜儀(yi) 再進行測量采集。

4. 數據保存

光譜儀(yi) 的每一次測量都輸出的一組數據，該數據為(wei) 兩(liang) 列，第一列是波長，第二列是與(yu) 波長對應的反射/透射比。該數據保存為(wei) txt文件，文件名中包含測量序號以及三個(ge) 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，測量序號的格式為(wei) “一級掃描序號.二級掃描序號.三級掃描序號"，例如“2.12.128"的含義(yi) 為(wei) 照明臂第2個(ge) 掃描位置. 旋轉台第12個(ge) 掃描位置. 探測臂第128個(ge) 掃描位置。

五、功能與(yu) 配置

1. 功能

各種材料可見光至近紅外雙向反射分布函數(雙向透射分布函數)的自動測量。

2. 配置

(1) 光譜儀(yi) ：單通道

(2) 測量平台：三個(ge) 旋轉自由度

(3) 測量儀(yi) 與(yu) 轉台的接口軟件；

(4) 光譜測量軟件；

(5) 控製/測量計算機（為(wei) 了便於(yu) 測量，需配置1台高性能筆記本電腦，用於(yu) 測量數據的采集與(yu) 存儲(chu) ）