CN104833656A - 一种基于积分球的材料镜反射率和漫反射率同时测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于积分球的可同时获取材料镜反射率、漫反射率以及全反射率的测量方法，该方法可以快速、方便准确地获取材料的镜反射率和漫反射率以及全反射率，采用该方法进行反射率测量时，需要在传统的积分球装置上增加一个光阱设计，然后分别在打开和关闭光阱时进行测量，进行数据处理得到材料的镜反射率和漫反射率以及全反射率。

Description

一种基于积分球的材料镜反射率和漫反射率同时测量方法

技术领域

本发明涉及光电测量领域，尤其涉及一种基于积分球的材料镜反射率和漫反射率同时测量方法。

背景技术

以下对本发明的相关技术背景进行说明，但这些说明并不一定构成本发明的现有技术。

材料表面反射率作为表征材料辐射特性的物理量，是非常重要的参数。在航天领域，由于外太空环境恶劣，太空中存在太阳辐射和其他辐射，所以航天飞行器表面的涂料，卫星等空间物体的外表包层等都要考虑其反射率，以防止太空辐射对其造成损害，延长其使用寿命。在国防领域，准确测量材料反射率对于目标识别，空中防御，精确打击敌对目标以及隐身材料的性能评估都有很重要的作用。在民用领域，材料的反射率测量能促进镀膜工艺技术以及相关产业的进一步发展。

测量材料反射率有多种方法，其中最常用的是积分球法。不同材料的表面粗糙程度不同，在反射光中镜反射和漫反射的比例不同，以往的积分球法测的是镜反射和漫反射混杂在一起的全反射率，而不能单独对镜反射率和漫反射率进行测量。如图1所示,常规的积分球结构包括光源、入射孔、样品孔、挡屏、探测孔。

对于材料的反射率测量技术方面，国内外进行了一些研究。1962年Dunkle等人发明了热腔反射计测量法来测量材料的反射率，1900年Ulbricht建造了世界上第一个积分球，这在光度学发展史上是一件颇为重大的事件，后来此方法得到了广泛应用，如PerkinElmer公司的可见光测量设备和意大利IMGC的Righini以及哈工大范毅等人的脉冲加热装置中都采用了积分球反射计。2000年上海技术物理所叶家福等人设计了一种近似积分球反射计法的测量方法—椭球法。90年代美国国家标准科学研究院提出了一种利用偏振光测量棒状样品反射率发射率的方法。其中积分球方法由于简单易用，应用广泛，但是上述采用基于积分球的方法不能利用一套积分球同时测量试样的镜反射率和漫反射率以及全反射率。

因此，现有技术中需要一种能够解决一套积分球同时测量试样的镜反射率和漫反射率及全反射率的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能够利用一套积分球同时测量试样的镜反射率和漫反射率以及全反射率的装置及其测量方法。

为达到上述目的，本发明提供一种可同时获取材料镜反射率、漫反射率和全反射率的积分球，包括入射孔、样品孔、挡屏和探测孔，其特征在于：还包括光阱，所述光阱用于全部接收镜面反射光束。

较佳地，所述光阱8开口的直径尺寸略大于试样的镜面反射光束5的直径尺寸，使得试样的镜面反射光束5完全进入光阱8内。

为达到上述目的，本发明还提供一种可同时获取材料镜反射率、漫反射率和全反射率的测量方法，其特征在于包括如下步骤：

(a)在常规积分球上增加一个光阱装置；

(b)测量已知反射率的标准板的基准信号V_st；

(c)测量样品材料的全反射信号V；

(d)测量样品材料的漫反射信号V_d；

(e)数据处理，得到样品的镜面反射率ρ_m、漫反射率ρ_d以及全反射率ρ。

较佳地，所述步骤(a)中，光阱8开口的直径应略大于试样的镜面反射光束5的直径大小，以保证能够让试样的镜面反射光束5进入光阱8内。

较佳地，所述步骤(b)中测量已知反射率的标准板的基准信号V_st的具体方法为：将光阱开关9处于关闭状态，将已知反射率为ρ_st的标准板放置在样品孔处，将入射光束2以合适的角度入射在标准板上，光线经过多次反射在积分球内均匀分布，探测器获得基准信号V_st。

较佳地，所述步骤(c)中测量样品材料的全反射信号V的具体方法为：将光阱开关9处于关闭状态，此时由试样反射光源的能量中既包括散射光3又包括镜面反射光束5，在积分球内经过多次反射后最终达到均匀分布状态，探测器获得全反射信号V。

较佳地，所述步骤(d)中测量样品材料的漫反射信号V_d的具体方法为：将光阱开关9处于打开状态，镜面反射光束5进入光阱8中被全部吸收，从而在积分球内剩下的是样品表面漫反射的能量，在积分球内经多次反射后最终达到均匀分布状态，探测器获得漫反射信号V_d。

较佳地，所述步骤(e)的具体步骤为：步骤(c)中得到的信号V减去步骤(d)中得到的信号V_d即为样品镜面反射所应该得到的信号，即V_m＝V-V_d；根据积分球的原理可获得镜面反射率漫反射率 ${\mathrm{\ρ}}_d={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{st}}\·\frac{V_d}{V_{\mathrm{st}}},$ 以及全反射率 $\mathrm{\ρ}={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{st}}\·\frac{V}{V_{\mathrm{st}}}.$

本申请人提出了一种基于积分球的可同时获取材料镜反射率、漫反射率以及全反射率的测量方法，该方法可以快速、方便准确地获取材料的镜反射率和漫反射率以及全反射率，采用该方法进行反射率测量时，需要在传统的积分球装置上增加一个光阱设计，然后分别在打开和关闭光阱时进行测量，进行数据处理得到材料的镜反射率和漫反射率以及全反射率。

附图说明

通过以下参照附图而提供的具体实施方式部分，本发明的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：

图1是常规积分球结构的示意图；

图2是本发明的积分球结构示意图。

1.光源；2.入射光束；3.散射光；4.样品孔；5.镜面反射光束；6挡屏；7.探测器；8.光阱；9.光阱开关。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。

本发明提供的基于积分球的测量样品镜反射率和漫反射率以及全反射率的方法，包括以下步骤：

(1)在常规积分球上增加一个光阱装置

在常规积分球上合适的位置增加一个光阱设计，如图2中光阱8所示。合适的位置是指以样品孔为反射点，以样品平面法线为对称轴，与入射孔对应的积分球上的位置。光阱8开口的直径应略大于试样的镜面反射光束5的直径大小，以保证能够让试样的镜面反射光束5进入光阱8内。

(2)测量已知反射率的标准板的基准信号V_st

当光阱开关9处于关闭状态，将已知反射率为ρ_st的标准板放置在样品孔处，将入射光束2入射在标准板上，光线经过多次反射在积分球内均匀分布，探测器获得基准信号V_st。

(3)关闭光阱，测量样品材料的全反射信号V

当光阱开关9处于关闭状态，此时由试样反射光源的能量中既包括散射光3又包括镜面反射光束5，在积分球内经过多次反射后最终达到均匀分布状态，探测器获得全反射信号V。

(4)打开光阱，测量样品材料的漫反射信号V_d

当光阱开关9处于打开状态，镜面反射光束5进入光阱8中被全部吸收，从而在积分球内剩下的是样品表面漫反射的能量，在积分球内经多次反射后最终达到均匀分布状态，探测器获得漫反射信号V_d。

(5)经数据处理，得到样品的镜面反射率ρ_m、漫反射率ρ_d以及全反射率ρ。

步骤(2)中得到的信号减去步骤(3)中得到的信号即为样品镜面反射所应该得到的信号，即V_m＝V-V_d。根据积分球的原理可知镜面反射率 ${\mathrm{\ρ}}_m={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{st}}\·\frac{V-V_d}{V_{\mathrm{st}}},$ 漫反射率 ${\mathrm{\ρ}}_d={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{st}}\·\frac{V_d}{V_{\mathrm{st}}},$ 以及全反射率 $\mathrm{\ρ}={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{st}}\·\frac{V}{V_{\mathrm{st}}}.$ 将得到的信号数据进行处理，便可同时测量出试样的镜反射率、漫反射率以及全反射率。

虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改变。

Claims (8)

1.一种可同时获取材料镜反射率、漫反射率和全反射率的积分球，包括入射孔、样品孔、挡屏和探测孔，其特征在于：还包括光阱，所述光阱用于全部接收镜面反射光束。

2.如权利要求1所述的积分球，其特征在于：所述光阱(8)开口的直径尺寸略大于试样的镜面反射光束(5)的直径尺寸，使得试样的镜面反射光束(5)完全进入光阱(8)内。

3.一种可同时获取材料镜反射率、漫反射率和全反射率的测量方法，其特征在于包括如下步骤：

(a)在常规积分球上增加一个光阱装置；

(b)测量已知反射率的标准板的基准信号V_st；

(c)测量样品材料的全反射信号V；

(d)测量样品材料的漫反射信号V_d；

(e)数据处理，得到样品的镜面反射率ρ_m、漫反射率ρ_d以及全反射率ρ。

4.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于：所述步骤(a)中，光阱(8)开口的直径应略大于试样的镜面反射光束(5)的直径大小，以保证能够让试样的镜面反射光束(5)进入光阱(8)内。

5.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于所述步骤(b)中测量已知反射率的标准板的基准信号V_st的具体方法为：将光阱开关(9)处于关闭状态，将已知反射率为ρ_st的标准板放置在样品孔处，将入射光束(2)入射在标准板上，光线经过多次反射在积分球内均匀分布，探测器获得基准信号V_st。

6.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于所述步骤(c)中测量样品材料的全反射信号V的具体方法为：将光阱开关(9)处于关闭状态，此时由试样反射光源的能量中既包括散射光(3)又包括镜面反射光束(5)，在积分球内经过多次反射后最终达到均匀分布状态，探测器获得全反射信号V。

7.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于所述步骤(d)中测量样品材料的漫反射信号V_d的具体方法为：将光阱开关(9)处于打开状态，镜面反射光束(5)进入光阱(8)中被全部吸收，从而在积分球内剩下的是样品表面漫反射的能量，在积分球内经多次反射后最终达到均匀分布状态，探测器获得漫反射信号V_d。

8.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于所述步骤(e)的具体步骤为：步骤(c)中得到的信号V减去步骤(d)中得到的信号V_d即为样品镜面反射所应该得到的信号，即V_m＝V-V_d；根据积分球的原理可获得镜面反射率 ${\mathrm{\ρ}}_m={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{st}}\·\frac{V-V_d}{V_{\mathrm{st}}},$ 漫反射率 ${\mathrm{\ρ}}_d={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{st}}\·\frac{V_d}{V_{\mathrm{st}}},$ 以及全反射率 $\mathrm{\ρ}={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{st}}\·\frac{V}{V_{\mathrm{st}}}.$