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簡(jiǎn)要描述: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表面在任意觀(guān)測角的反射特性,我們的產(chǎn)品BRDF雙向反射分布函數測量?jì)x可以滿(mǎn)足要求。
品牌 | 創(chuàng )譜科技 | 雜散光 | ≤1% |
---|---|---|---|
價(jià)格區間 | 面議 | 光譜范圍 | 近紅外 |
按探測器 | CCD | 應用領(lǐng)域 | 環(huán)保,生物產(chǎn)業(yè),農業(yè),能源,綜合 |
BRDF雙向反射分布函數測量?jì)x
雙向反射分布函數測量?jì)x(BRDF)
技術(shù)方案書(shū)
一、測量原理
1、雙向反射分布函數定義
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表面在任意觀(guān)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(xué)表達式為
(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(zhù)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。雙向反射分布函數是入射角(),反射角()、波長(cháng)的函數。
圖1 光反射幾何圖
2、雙向透射分布函數定義
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表面在任意觀(guān)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(xué)表達式為
(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(zhù)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。雙向反射分布函數是入射角()、反射角()、波長(cháng)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,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:本方案中采用相對反射率測量方法
雙向反射分布函數的測量平臺如圖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上,通過(guò)懸臂梁的圓周運動(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(guān)測條件。整個(gè)過(guò)程在計算機的控制下實(shí)現數據的自動(dòng)采集與處理。
整個(gè)測量設備包括照明系統、探測系統、測量機械系統和數據處理系統。在測量過(guò)程中,通過(guò)接口軟件將輻射測量軟件和測量機械系統的控制軟件整合在一起,通過(guò)計算機自動(dòng)控制實(shí)驗的整個(gè)測量過(guò)程,使得實(shí)驗操作起來(lái)簡(jiǎn)便、快速、省時(shí)。同時(shí),研制數據采集軟件,實(shí)時(shí)進(jìn)行數據采集并輸出結果。
圖3 BRDF測量平臺
1、 系統整體結構支架采用鋁合金型材搭建,外表美觀(guān),結構穩定。
2、 光源及探測器支架采用噴涂低反射比鋁合金制成,探測器以導軌做導向實(shí)現角度范圍的測量;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(guò)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。探測器安裝在內弓上,可以2個(gè)自由度旋轉。樣品安裝在底座旋轉臺上,可以實(shí)現一個(gè)自由度旋轉。通過(guò)組合可以實(shí)現BRDF所有條件的測量。
4、樣品臺固定,不跟隨旋轉臺一起轉動(dòng),從而實(shí)現照明角度和探測角度的任意調整。
5、 電腦軟件操作控制系統電機移動(dòng)(在一臺電腦上的一個(gè)軟件中,調節方便),實(shí)現精確的點(diǎn)位控制,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?jì)x技術(shù)指標
測量光譜參數 | 光譜范圍 | 可見(jiàn)光近紅外:380nm~1100nm |
光譜分辨率 | 可見(jiàn)光通道分辨率為2.5nm,(近紅外通道可擴展) | |
照明光源 調整 | 照明范圍 | 自動(dòng)調整:天頂角: 方位角相對于樣品固定。 |
角解析度 | 天頂角0.10 | |
定位精度 | 天頂角±0.10 | |
光源光譜范圍 | ||
光譜解析度 | 寬光譜輸出, 可配置濾光片調節輸出 | |
照明光源型號 | 高功率鹵素燈(Halogen)或LDLS激光等離子體光源 | |
物體上被照明區域的大小 | 可調整,范圍從10 mm到20 mm直徑 | |
反射觀(guān)測 調整 | 觀(guān)測范圍 | 自動(dòng)調整: 天頂角 90°附近有10-15°左右觀(guān)測死角); 方位角: |
角解析度 | 0.3-0.50 | |
定位精度 | ±0.3-0.50 | |
透射觀(guān)測 調整(本方案不包含 | 觀(guān)測范圍 | 自動(dòng)調整: 天頂角: 方位角: |
角解析度 | 0.30 | |
定位精度 | ±0.30 | |
探測器及 光譜儀 | 光譜儀主機型號 | AvaSpec- NIR256-2.5-HSC AvaSpec- HERO |
光譜儀附件 | 見(jiàn)附表 | |
探測器光譜范圍 | ||
光譜解析度 | 2.5nm@200-1100nm 16nm@1100-2500nm | |
測量精度 | ≤10% | |
雜散光 | ≤1% | |
觀(guān)測角度 | 0.5° | |
光源角度 | 0.5° |
四、雙向反射分布函數測量?jì)x操作軟件
1. 該軟件主要功能包括運動(dòng)平臺控制、光譜儀控制、手動(dòng)/全自動(dòng)測量、數據采集保存。
運動(dòng)平臺共有四個(gè)旋轉自由度:旋轉臺(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(méi)有透射測量臂)。通過(guò)該軟件能控制這四個(gè)軸的運動(dòng)參數,如移動(dòng)到目標角度、置零、回原點(diǎn)、停止等,并能顯示當前狀態(tài),如當前角度等,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)顯示光譜儀默認的測量參數,并可對“平滑像素"、“平均次數"、“積分時(shí)間"等參數進(jìn)行更改。
(4)在幅度模式下,在點(diǎn)擊“開(kāi)始測量"按鈕得到光譜后,通過(guò)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(guò)軟件設置運動(dòng)平臺的角度位置和光譜儀參數,點(diǎn)擊“手動(dòng)測量"可采集一次反射/投射數據。
3. 全自動(dòng)采集:該軟件能控制運動(dòng)平臺和光譜儀協(xié)同工作,以實(shí)現全自動(dòng)反射數據采集。
(1) 設定平臺運動(dòng)方案
①、設定旋轉臺調整角度范圍(起始角度和終止角度)、步進(jìn)角度;
②、設定照明臂調整角度范圍(起始角度和終止角度)、步進(jìn)角度;
③、設定反射/透射臂調整角度范圍(起始角度和終止角度)、步進(jìn)角度;
注:調整角度范圍應是步進(jìn)角度的整數倍;在一個(gè)測量方案中,旋轉臺、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成某一相同值即可。
(2) 設定光譜儀參數
(3) 點(diǎn)擊“全自動(dòng)測量",運動(dòng)平臺各軸跑到起始角度,然后按照先進(jìn)行三級掃描——反射/透射臂(探測臂俯仰角)掃描,再進(jìn)行二級掃描——旋轉臺(探測方位角)掃描,最后進(jìn)行一級掃描——照明臂掃描的順序運動(dòng)。
(4) 運動(dòng)平臺每跑到一個(gè)位置,需穩定一段時(shí)間,然后光譜儀再進(jìn)行測量采集。
4. 數據保存
光譜儀的每一次測量都輸出的一組數據,該數據為兩列,第一列是波長(cháng),第二列是與波長(cháng)對應的反射/透射比。該數據保存為txt文件,文件名中包含測量序號以及三個(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,測量序號的格式為“一級掃描序號.二級掃描序號.三級掃描序號",例如“2.12.128"的含義為照明臂第2個(gè)掃描位置. 旋轉臺第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(jiàn)光至近紅外雙向反射分布函數(雙向透射分布函數)的自動(dòng)測量。
2. 配置
(1) 光譜儀:單通道
(2) 測量平臺:三個(gè)旋轉自由度
(3) 測量?jì)x與轉臺的接口軟件;
(4) 光譜測量軟件;
(5) 控制/測量計算機(為了便于測量,需配置1臺高性能筆記本電腦,用于測量數據的采集與存儲)