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

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）