CN110208218A - 一种双向散射分布函数光谱测量*** - Google Patents

一种双向散射分布函数光谱测量*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种双向散射分布函数光谱测量***，包括测量装置和控制装置，测量装置包括座体、样品台、光源组件、接收组件和驱动组件，样品台具有供待测样品安装的安装位，且沿横向可转动地安装于座体；光源组件包括光源探头，光源探头沿第一球面可移动地安装于座体；接收组件包括接收探头，接收探头沿第二球面可移动地安装于座体；驱动组件使得测量装置具有使光源探头和接收探头位于安装位同一侧的反射光谱测量状态以及位于安装位不同侧的透射光谱测量状态。本发明中，测量装置在反射光谱测量状态或者透射光谱测量状态间可切换，满足BRDF/BTDF分布函数光谱的测量需求；光源探头和接收探头可移动，有助于实现测量装置的全方位扫描测量。

Description

一种双向散射分布函数光谱测量***
技术领域
本发明涉及光学测量装置的技术领域，具体涉及一种双向散射分布函数光谱测量***。
背景技术
双向散射分布函数(Bidirectional Scattering Distribution Function，BSDF)是从辐射度学出发、在几何光学的基础上描述各种材料光谱反射与透射特性的物理量，表示了在不同入射角条件下，材料在任意观测角的反射与透射特性。双向散射分布函数包括双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function，BRDF)和双向透射分布函数(Bidirectional Transmissivity Distribution Function，BTDF)，是描述材料反射与透射特性的具有唯一确定性的函数。
传统技术需要配置两套测量设备来分别测量材料的BRDF特性和BTDF特性，存在操作和校准均极为复杂的弊端；另外，传统技术在测量材料的BRDF特性和BTDF特性，尤其是BTDF特性的过程中，存在较大遮挡，无法实现对材料进行全方位扫描测量。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种双向散射分布函数光谱测量***，旨在提供一种可对BRDF/BTDF分布函数光谱进行测量，且满足全方位扫描测量需求的测量***。
为实现上述目的，本发明提出的一种双向散射分布函数光谱测量***，包括测量装置、以及与所述测量装置电性连接的控制装置，其中，所述测量装置包括：
座体；
样品台，具有用于供待测样品安装的安装位，所述样品台沿上下向轴线可横向转动地安装于所述座体；
光源组件，包括光源探头，所述光源探头沿第一球面的经向和纬向可移动地安装于所述座体，所述第一球面为以所述安装位为球心的一假想球面；
接收组件，包括接收探头，所述接收探头沿第二球面的经向和纬向可移动地安装于所述座体，所述第二球面为以所述安装位为球心的另一假想球面；以及，
驱动组件，分别驱动连接所述样品台、所述光源探头以及所述接收探头，以使得所述测量装置具有使所述光源探头和所述接收探头位于所述安装位同一侧的反射光谱测量状态、以及使所述光源探头和所述接收探头位于所述安装位不同侧的透射光谱测量状态。
可选地，所述光源组件还包括第一轨道，所述第一轨道沿所述第一球面的经向延伸，且沿所述第一球面的纬向可转动地安装于所述座体，所述光源探头可滑动地安装于所述第一轨道；和/或，
所述接收组件还包括第二轨道，所述第二轨道沿所述第二球面的经向延伸，且沿所述第二球面的纬向可转动地安装于所述座体，所述接收探头可滑动地安装于所述第二轨道。
可选地，所述第一球面的半径小于所述第二球面的半径。
可选地，所述光源探头在所述第一球面的经向上可移动的圆弧角度不小于90°。
可选地，所述接收探头在所述第二球面的经向上可移动的圆弧角度不小于180°。
可选地，所述光源组件还包括光源发生器，所述光源发生器驱动连接所述光源探头，所述光源发生器为宽光谱光源发生器。
可选地，所述光源组件还包括消色差透镜，所述消色差透镜设于所述光源探头上。
可选地，所述驱动组件包括五个驱动部，所述五个驱动部用于分别驱动所述样品台沿横向转动、所述第一轨道沿所述第一球面的纬向转动、所述第二轨道沿所述第二球面的纬向转动、所述光源探头沿所述第一轨道滑动、以及所述接收探头沿所述第二轨道滑动。
可选地，所述座体设有安装腔，以形成暗环境，所述样品台、所述光源组件、所述接收组件以及所述驱动组件设于所述安装腔内。
可选地，所述测量装置还包括样品治具，所述样品治具可拆卸地安装于所述安装位，所述样品治具用于夹持所述待测样品。
本发明提供的技术方案中，通过调节所述光源探头、所述接收探头以及所述安装位之间的相对位置，可对应将所述测量装置切换至反射光谱测量状态或者透射光谱测量状态，从而满足BRDF/BTDF分布函数光谱的测量需求；此外，设置所述光源探头沿所述第一球面的经向和纬向可移动、所述接收探头沿所述第二球面的经向和纬向可移动，有助于扩大测量范围，实现所述测量装置的全方位扫描测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提供的双向散射分布函数光谱测量***的一实施例的部分结构示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
100 测量装置 32 第一轨道
1 座体 33 光源发生器
1a 第一球面 4 接收组件
1b 第二球面 41 接收探头
2 样品台 42 第二轨道
21 样品治具 43 光谱仪
3 光源组件 5 柔性光纤
31 光源探头
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
双向散射分布函数(Bidirectional Scattering Distribution Function，BSDF)是从辐射度学出发、在几何光学的基础上描述各种材料光谱反射与透射特性的物理量，表示了在不同入射角条件下，材料在任意观测角的反射与透射特性。双向散射分布函数包括双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function，BRDF)和双向透射分布函数(Bidirectional Transmissivity Distribution Function，BTDF)，是描述材料反射与透射特性的具有唯一确定性的函数。
传统技术需要配置两套测量设备来分别测量材料的BRDF特性和BTDF特性，存在操作和校准均极为复杂的弊端；另外，传统技术在测量材料的BRDF特性和BTDF特性，尤其是BTDF特性的过程中，存在较大遮挡，无法实现对材料进行全方位扫描测量。
鉴于此，本发明提供一种双向散射分布函数光谱测量***，图1为本发明提供的双向散射分布函数光谱测量***一实施例。
请参阅图1，本发明提供的双向散射分布函数光谱测量***，包括测量装置100、以及与所述测量装置100电性连接的控制装置(附图未标示)，其中，所述测量装置100包括座体1、样品台2、光源组件3、接收组件4以及驱动组件(附图未标示)。所述样品台2具有用于供待测样品安装的安装位，所述样品台2沿上下向轴线可横向转动地安装于所述座体1；所述光源组件3包括光源探头31，所述光源探头31沿第一球面1a的经向和纬向可移动地安装于所述座体1，所述第一球面1a为以所述安装位为球心的一假想球面；所述接收组件4包括接收探头41，所述接收探头41沿第二球面1b的经向和纬向可移动地安装于所述座体1，所述第二球面1b为以所述安装位为球心的另一假想球面；所述驱动组件分别驱动连接所述样品台、所述光源探头31以及所述接收探头41，以使得所述测量装置100具有使所述光源探头31和所述接收探头41位于所述安装位同一侧的反射光谱测量状态、以及使所述光源探头31和所述接收探头41位于所述安装位不同侧的透射光谱测量状态。
本发明提供的技术方案中，通过调节所述光源探头31、所述接收探头41以及所述安装位之间的相对位置，可对应将所述测量装置100切换至反射光谱测量状态或者透射光谱测量状态，从而满足BRDF/BTDF分布函数光谱的测量需求；此外，设置所述光源探头31沿所述第一球面1a的经向和纬向可移动、所述接收探头41沿所述第二球面1b的经向和纬向可移动，有助于扩大测量范围，实现所述测量装置100的全方位扫描测量。
本设计对所述座体1的具体表现形式不作限制，例如可以为桌台结构或者架体结构等；所述样品台2可以悬置在所述座体1的上方，以预留足够的空间供所述光源探头31和所述接收探头41活动；所述样品台2可以沿上下向贯设一通孔，所述通孔构成所述安装位，用来安装所述待测样品。由于所述样品台2具有转动行程，因此，还可以在所述座体1上对应所述样品台2处设置一标记，所述标记用于指示所述样品台2的当前转动角度，所述标记例如为刻度尺。
需要注意的是，上述的上下向和横向并不构成对本设计中所述测量装置100的安装方位的限制，仅仅是为了便于描述而列举的可选实施例。所述第一球面1a可以是对应球体的完整外周球面，也可以是对应球体的部分外周球面，并且，所述第一球面1a的经向，指的是所述第一球面1a沿上下向剖切时获得的圆形或者圆弧的轮廓线的延伸方向；所述第一球面1a的纬向，指的是所述第一球面1a沿横向剖切时获得的圆形或者圆弧的轮廓线的延伸方向；当然，所述第二球面1b的设置与所述第一球面1a同理，此处不作赘述。并且，在上下向和横向的设定下，当所述光源探头31和所述接收探头41同时位于所述安装位的上侧或者下侧时，所述测量装置100处于所述反射光谱测量状态；当所述光源探头31和所述接收探头41二者其一位于所述安装位的上侧，另一位于所述安装位的下侧时，所述测量装置100处于所述透射光谱测量状态。
此外，所述测量装置100和所述控制装置之间的电性连接，至少体现为所述控制装置分别电性连接所述光源组件3、所述接收组件4以及所述驱动组件，以通过预设的控制程序，控制所述光源组件3在预设方位朝向所述待测样品入射所需光源、控制所述接收组件4在预设方位接收经所述待测样品反射或者透射后的光，当然所述控制装置还通过控制所述驱动组件，来完成所述光源探头31和所述接收探头41的准确移位，从而有助于实现所述测量装置100的测量自动化，具体实现方法可参考现有技术。其中，所述接收组件4至少还包括光谱仪43，所述光谱仪43用于采集光谱数据。由于测试过程中涉及到的测量数据量较大且分析过程较为复杂，因此，所述控制装置还包括数据处理模块，可参考现有技术，这是所述数据处理模块根据预设算法，对采集的数据进行自动计算和分析。当然，所述测量装置100和所述控制装置的具体结构、以及所述控制装置的具体工作流程均可参考现有技术。
进一步地，在本实施例中，所述光源组件3还包括第一轨道32，所述第一轨道32沿所述第一球面1a的经向延伸，且沿所述第一球面1a的纬向可转动地安装于所述座体1，所述光源探头31可滑动地安装于所述第一轨道32。所述光源探头31在所述第一轨道32上的滑动，可调节入射光线沿上下向的入射角度；所述第一轨道32带动所述光源探头31沿所述第一球面1a的纬向移动，可调节入射光线沿横向的入射角度，使得所述光源探头31在所述第一球面1a上可进行全方位地移动，从而实现对所述待测样品的入射光线的全方位调节。
同理地，在本实施例中，所述接收组件4还包括第二轨道42，所述第二轨道42沿所述第二球面1b的经向延伸，且沿所述第二球面1b的纬向可转动地安装于所述座体1，所述接收探头41可滑动地安装于所述第二轨道42。所述接收探头41在所述第二轨道42上的滑动，可调节出射光线沿上下向的接收角度；所述第二轨道42带动所述接收探头41沿所述第二球面1b的纬向移动，可调节出射光线沿横向的接收角度，使得所述接收探头41在所述第二球面1b上可进行全方位地移动，从而实现对出射光线的全方位接收。
当然，上述两个技术方案可以择一设置，也可以同时采用，以增加所述测量装置100的使用便利性和测量实用性。
由于所述光源探头31和所述接收探头41具有各自的移动行程，因此，可以设置所述第一球面1a的半径小于所述第二球面1b的半径。如此设置，以上述第一轨道32和所述第二轨道42的设定为例，可使得所述第一轨道32和所述第二轨道42沿各自的纬向转动时，空间上错开而不会相互干涉；并且，设置所述光源探头31更靠近所述样品台2，使得所述入射光线产生的光斑更小，从而优化测量效果，提高测量结果的准确性。
此外，在本实施例中，所述光源探头31在所述第一球面1a的经向上可移动的圆弧角度不小于90°。如图1所示，由于所述第一轨道32设置在所述第一球面1a的上半球以及下半球时，获得的测量效果相同，因此所述第一轨道32可以择一设置，例如设置在所述第一球面1a的上半球，用于提供朝向所述样品台2的光源，在满足测量需求的同时，有助于简化所述测量装置100的结构。
接着，在本实施例中，所述接收探头41在所述第二球面1b的经向上可移动的圆弧角度不小于180°。如此设置，当所述光源探头31的位置固定不变时，所述接收探头41具有足够的活动空间进行移动，从而更便利于所述测量装置100在所述反射光谱测量状态和所述透射光谱测量状态之间相切换。具体以图1所示为例，当所述第二轨道42和所述接收探头41移动至A处时，所述光源探头31和所述接收探头41同时位于所述样品台2的上侧，此时，所述测量装置100处于所述反射光谱测量状态；而当所述第二轨道42和所述接收探头41移动至B处时，所述光源探头31位于所述样品台2的上侧，所述接收探头41位于所述样品台2的下侧，此时，所述测量装置100处于所述透射光谱测量状态。
在使用时，所述光源组件3还包括光源发生器33，所述光源发生器33驱动连接所述光源探头31，所述光源发生器33为宽光谱光源发生器。相较于采用激光器作为所述光源发生器的技术方案，宽光谱光源发生器可提供足够宽的波长范围，可满足所述双向散射分布函数光谱测量***的多种测量需求，更具实用性。在一具体实施例中，所述宽光谱光源发生器可提供200-2500nm的光，对应地，所述光谱仪43也需能够采集200-2500nm宽光谱数据。当然，所述宽光谱光源发生器为现有产品，可直接根据实际应用需求进行采买，此处不作详述。
接着，在本实施例中，所述光源组件3还包括消色差透镜(附图未标示)，所述消色差透镜设于所述光源探头31上。由于所述待测样品的尺寸一般较小，所述消色差透镜的设置，有助于实现较小角度的光源照射，更适用于对尺寸较小的所述待测样品进行测量。所述消色差透镜为现有产品，此处不作详述，而在配置上，所述消色差透镜的尺寸优选适配于所述待测样品的尺寸。
需要说明的是，为了克服对人工操作的依赖，实现所述双向散射分布函数光谱测量***的测量自动化，在所述控制装置的控制下，所述样品台2沿横向转动、所述第一轨道32沿所述第一球面1a的纬向转动、所述第二轨道42沿所述第二球面1b的纬向转动、所述光源探头31沿所述第一轨道32滑动、以及所述接收探头41沿所述第二轨道42滑动可以均由所述驱动组件来进行驱动。此时，在适宜的传动组件的传动配合下，本实施例中的所述驱动组件可以只设置为一个；但更优选地，本实施例中的所述驱动组件包括五个驱动部，所述五个驱动部用于分别驱动所述样品台2、第一轨道32、第二轨道42、光源探头31以及接收探头41，使得所述样品台2、第一轨道32、第二轨道42、光源探头31以及接收探头41的运动相互独立而互不干扰；而且可使得所述样品台2、第一轨道32和第二轨道42的角度旋转精度更高，例如可以达到01°的旋转精度。所述五个驱动部例如为驱动电机以及与之传动配合的传动组件，所述传动组件可参考现有技术，例如由齿轮组、皮带轮组等结构构成，此处不作详述。
进一步地，在本实施例中，所述座体1设有安装腔(附图未标示)，以形成暗环境，所述样品台2、所述光源组件3、所述接收组件4以及所述驱动组件设于所述安装腔内。所述安装腔例如设置有可开合的开口，便于操作人员在测量之前以及之后，对所述测量装置100进行调试和维护；所述控制装置可以至少部分设置在所述安装腔内，或者直接设置在所述安装腔外。所述暗环境的设置，有助于大大降低环境光线对测试的干扰，从而提高测量结果的准确性。
进一步地，在本实施例中，所述测量装置100还包括样品治具21，所述样品治具21可拆卸地安装于所述安装位，所述样品治具21用于夹持所述待测样品。所述样品台2可设置有不同的规格，以满足不同尺寸的所述待测样品的测试需求，所述样品治具21适配于高精密标准样品，可自动完成校准操作，具有操作方便的优点，无需专门人员指导。当然，所述样品治具21为现有技术，此处不作详述。
另外，在本实施例中，所述光源探头31和所述光源发生器33之间、所述接收探头41和所述光谱仪43之间的连接可以通过柔性光纤来实现，所述柔性光纤为现有产品，可伸缩变形，从而不干涉所述光源探头31和所述接收探头41的移动，提高使用的便利性。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种双向散射分布函数光谱测量***，包括测量装置、以及与所述测量装置电性连接的控制装置，其特征在于，所述测量装置包括：
座体；
样品台，具有用于供待测样品安装的安装位，所述样品台沿上下向轴线可横向转动地安装于所述座体；
光源组件，包括光源探头，所述光源探头沿第一球面的经向和纬向可移动地安装于所述座体，所述第一球面为以所述安装位为球心的一假想球面；
接收组件，包括接收探头，所述接收探头沿第二球面的经向和纬向可移动地安装于所述座体，所述第二球面为以所述安装位为球心的另一假想球面；以及，
驱动组件，分别驱动连接所述样品台、所述光源探头以及所述接收探头，以使得所述测量装置具有使所述光源探头和所述接收探头位于所述安装位同一侧的反射光谱测量状态、以及使所述光源探头和所述接收探头位于所述安装位不同侧的透射光谱测量状态。
2.如权利要求1所述的双向散射分布函数光谱测量***，其特征在于，所述光源组件还包括第一轨道，所述第一轨道沿所述第一球面的经向延伸，且沿所述第一球面的纬向可转动地安装于所述座体，所述光源探头可滑动地安装于所述第一轨道；和/或，
所述接收组件还包括第二轨道，所述第二轨道沿所述第二球面的经向延伸，且沿所述第二球面的纬向可转动地安装于所述座体，所述接收探头可滑动地安装于所述第二轨道。
3.如权利要求1所述的双向散射分布函数光谱测量***，其特征在于，所述第一球面的半径小于所述第二球面的半径。
4.如权利要求1所述的双向散射分布函数光谱测量***，其特征在于，所述光源探头在所述第一球面的经向上可移动的圆弧角度不小于90°。
5.如权利要求1所述的双向散射分布函数光谱测量***，其特征在于，所述接收探头在所述第二球面的经向上可移动的圆弧角度不小于180°。
6.如权利要求1所述的双向散射分布函数光谱测量***，其特征在于，所述光源组件还包括光源发生器，所述光源发生器驱动连接所述光源探头，所述光源发生器为宽光谱光源发生器。
7.如权利要求6所述的双向散射分布函数光谱测量***，其特征在于，所述光源组件还包括消色差透镜，所述消色差透镜设于所述光源探头上。
8.如权利要求2所述的双向散射分布函数光谱测量***，其特征在于，所述驱动组件包括五个驱动部，所述五个驱动部用于分别驱动所述样品台沿横向转动、所述第一轨道沿所述第一球面的纬向转动、所述第二轨道沿所述第二球面的纬向转动、所述光源探头沿所述第一轨道滑动以及所述接收探头沿所述第二轨道滑动。
9.如权利要求1所述的双向散射分布函数光谱测量***，其特征在于，所述座体设有安装腔，以形成暗环境，所述样品台、所述光源组件、所述接收组件以及所述驱动组件设于所述安装腔内。
10.如权利要求1所述的双向散射分布函数光谱测量***，其特征在于，所述测量装置还包括样品治具，所述样品治具可拆卸地安装于所述安装位，所述样品治具用于夹持所述待测样品。
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