專利名稱：一種測量散射光場三維分布的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量散射光場三維分布的裝置，具體涉及利用光纖傳輸并通過陣 列式探測器測量三維散射光場分布的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
物體表面散射光場分布可以用雙向反射分布函數(shù)(BRDF)描述。BRDF紀(jì)錄了物 體表面對不同方向的入射光在各個角度的反射分布，是一個多元函數(shù)，測量過程復(fù)雜。
現(xiàn)有的散射光場分布測量方法主要有利用成像系統(tǒng)將各個反射角的光強分布成 像到陣列式探測器上，再通過圖像處理得到散射光強分布值，如Kristin J Dana等的論 文《Device for convenient measurement of spatially varying bidirecional reflectance》(J. Opt Soc.Am.A八Aol.21,No. 1,2004)。該方法中，各個角度的散射光強度由光學(xué)成像和圖像 采集的方法獲取，可以實現(xiàn)在短時間內(nèi)同時測量空間各個角度的光強分布，因此測量 結(jié)果比較穩(wěn)定，重復(fù)性好。但是CCD等圖像采集器件多為平面陣列結(jié)構(gòu)，要實現(xiàn)對散 射到整個半空間的各個方向光信號的采集，需要適合的系統(tǒng)對光線方向進行變換。 Kristin J Dana等采用離軸拋物面鏡，將散射到不同方向的光線反射到同一方向并通過 CCD相機進行紀(jì)錄，但只能接收半球空間中某一立體角范圍內(nèi)的散射光，且由于CCD 的動態(tài)響應(yīng)范圍較小，光強空間分布起伏較大時會產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使得測量結(jié)果不能 準(zhǔn)確描述較強的鏡向反射峰。另外，該方法需要在實驗室中進行，限制了移動性強的 野外測量。
發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題
為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種測量散射光場三維分布的裝置，
所要解決的問題主要有1.系統(tǒng)應(yīng)能在較短的時間內(nèi)完成散射光場測量。2.系統(tǒng)的重復(fù)性誤差較小。3.系統(tǒng)能對較大范圍內(nèi)的散射光強進行精確測量。4.系統(tǒng)應(yīng)能實
現(xiàn)整個半球空間散射光場的三維分布測量。5.系統(tǒng)應(yīng)方便進行野外測量。 技術(shù)方案
一種測量散射光場三雒分布的裝置，其特征在于裝置的組成包括鉆孔半球殼l、
光纖2、鉆孔圓盤3、可調(diào)光闌6、透鏡5、 CCD相機4、光源系統(tǒng)7、光源功率監(jiān)測 器8和分束鏡9;可調(diào)光闌6位于裝置底部，鉆孔半球殼1位于可調(diào)光闌6上，鉆孔 圓盤3位于鉆孔半球殼1之上，二者之間通過若干光纖連接，透鏡5位于圓盤3之上， CCD相機4位于透鏡5之上，在鉆孔圓盤3和透鏡5之間固定一個法線與裝置主軸成 45度角的分束鏡9，光源系統(tǒng)7位于分束鏡9的一側(cè)，其光軸垂直于裝置主軸，光源 功率監(jiān)測器8與光源系統(tǒng)同軸且位于分束鏡9的另一側(cè)，其接收面正對光源輸出光束 的中心且與光源系統(tǒng)固連；所述的光源系統(tǒng)7包括光源14、透鏡15、透鏡17和小孔 16，其構(gòu)成為在透鏡15與透鏡17之間設(shè)計小孔16，光源A固定在透鏡15—側(cè)； 所述的可調(diào)光闌6的下表面與鉆孔半球殼1的赤道面重合，且可調(diào)光闌6下表面的中 心與鉆孔半球殼1的球心重合；所述的鉆孔半球殼l、光纖2、鉆孔圓盤3、可調(diào)光闌 6、透鏡5和成像系統(tǒng)沿裝置主軸同軸分布；所述的鉆孔半球殼1和鉆孔圓盤3上的孔 數(shù)目相等且均勻分布，光纖數(shù)目等于鉆孔半球殼上的孔數(shù)和圓盤上的孔數(shù)。
所述的鉆孔圓盤3上的孔距鉆孔圓盤3中心的距離正比于鉆孔半球殼1上的孔的 軸線與裝置主軸的夾角，且兩對應(yīng)孔的軸線與光纖軸線在同一平面內(nèi)。
所述的透鏡5到鉆孔圓盤3的距離大于透鏡5的兩倍焦距，透鏡5的孔徑大于鉆 孔圓盤3的直徑。
所述的CCD相機4靶面距離透鏡1倍焦距到2倍焦距之間。
所述的鉆孔半球殼1上的圓孔10沿鉆孔半球殼1表面均勻分布，孔徑可取 0.5mm 2mm，孔間距可取lmm 2mm，所有圓孔10的軸垂直于鉆孔半球殼1表面并指向球心。
所述鉆孔半球殼1上的圓孔10的孔徑與鉆孔圓盤3上圓孔的孔徑與光纖2的直徑 相等。
所述的所述光纖2的兩個端面11為凸形聚光設(shè)計或在光纖兩端加裝與光纖同軸的 fi聚焦透鏡。
所述的鉆孔半球殼1的內(nèi)壁及圓孔10的內(nèi)壁涂黑色吸光涂層。 所述可調(diào)光闌6采用旋片式光闌。 ' 有益效果
本發(fā)明的有益效果在于采用光纖和面陣CCD相機可以快速地測量物體表面散射光 場的空間分布，在光散射測量過程中利用光源功率監(jiān)測器對光源的輸出功率進行實時 監(jiān)測從而避免了光源輸出穩(wěn)定性對測量結(jié)果的影響。
利用分束鏡使得入射光的輸入與反射光的輸出互不影響，可以測量包括后向反射 在內(nèi)的整個半空間中的雙向反射分布。
利用光纖端面會聚光束并通過可調(diào)光闌來限制光束可以很好地控制入射光斑的面積。
CCD相機曝光時間可調(diào)，能夠?qū)Χ鄠€不同強度量級的反射分布進行準(zhǔn)確測量。 整個裝置集電源、光源、測試光路、調(diào)節(jié)、存儲和控制單元于一個緊湊的整體， 方便實時在線測量及野外測量。

圖1是本發(fā)明散射光場三維分布測量裝置的剖視圖
圖2是本發(fā)明中鉆孔半球殼的俯視圖3是本發(fā)明中光纖插入鉆孔半球殼處的局部放大剖視圖4是本發(fā)明中可調(diào)光闌的俯視圖；圖5是圖2所示散射光場三維分布測量裝置的底部放大剖視圖； 圖6是本發(fā)明散射光場三維分布測量裝置的光入射示意圖； 圖7是本發(fā)明散射光場三維分布測量裝置的光接收示意l-鉆孔半球殼；2-光纖；3-鉆孔圓盤；6-可調(diào)光闌；5-透鏡；4-CCD相機；7-光源 系統(tǒng)；8-光源功率監(jiān)測器;'9-分束鏡；10-圓孔；ll-端面；12-中間孔；13-待測樣品； 14-光源；15-透鏡；16-小孔；17-透鏡。
具體實施方式
現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述
實施例1:如圖1所示的分布測量裝置包括鉆孔半球殼1、光纖2、鉆孔圓盤3、
光源功率監(jiān)測器8、分束鏡9、可調(diào)光闌6、光源系統(tǒng)和成像系統(tǒng)。所有組件沿裝置主 軸同軸分布，可調(diào)光闌6位于裝置底部，鉆孔半球殼1位于可調(diào)光闌6上，可調(diào)光闌 6的下表面與鉆孔半球殼1的赤道面重合，且可調(diào)光闌6下表面的中心與鉆孔半球殼1 的球心重合。鉆孔圓盤3位于鉆孔半球殼1之上，二者之間通過若干光纖連接，光纖 數(shù)目等于鉆孔半球殼上的孔數(shù)和圓盤上的孔數(shù)，分別位于圓盤3和鉆孔半球殼1上且 為同一根光纖所連接的兩個孔相對應(yīng)，即圓盤3上的孔距圓盤3中心的距離正比于鉆 孔半球殼1上的孔的軸線與裝置主軸的夾角(天頂角)，且兩對應(yīng)孔的軸線與光纖軸線 在同一平面內(nèi)。透鏡5位于圓盤3之上，到圓盤3的距離大于透鏡5的兩倍焦距，透 鏡5的孔徑大于圓盤3的直徑，可以確保所有從圓盤上光纖端面出射的光束都能被透 鏡5接收。CCD相機4位于透鏡5之上，CCD靶面距離透鏡1倍焦距到2倍焦距之 間，圓盤3上的光纖端面成像于CCD靶面。分束鏡9固定于圓盤3和透鏡5之間，其 法線與裝置主軸成45度角。光源系統(tǒng)7由光源14、透鏡15、 17和小孔16組成，光 源系統(tǒng)7位于圓盤3和透鏡5之間，在分束鏡9的一側(cè)，其光軸垂直于裝置主軸，光 源系統(tǒng)7裝配在平行于裝置主軸的滑軌上，可以沿裝置主軸方向平移。光源功率監(jiān)測器8與光源系統(tǒng)7同軸且位于分束鏡9的另一側(cè)，其接收面正對光源輸出光束的中心 且與光源系統(tǒng)固連，可以與光源系統(tǒng)同步運動。光源14可以采用半導(dǎo)體激光器或其他 準(zhǔn)直白光光源，光源14出射的光束經(jīng)透鏡15、 17會聚和小孔16濾波后， 一部分由分 束鏡9反射會聚于圓盤3上光纖端面處， 一部分透過分束鏡9會聚于光源功率監(jiān)測器 8表面。測量時將待測樣品13置于鉆孔半球殼球心位置處或?qū)y量裝置置于待測物體 表面上，并調(diào)節(jié)可調(diào)光闌6的中心孔12的大小以改變照射到樣品或物體表面光斑的面 積，如圖2和圖6B所示。然后根據(jù)待測表面的反射特性選擇適當(dāng)?shù)钠毓鈺r間，通過 CCD相機4紀(jì)錄下表面在整個半球空間中各個角度的散射光強并存儲在相機所攜帶的 存儲卡內(nèi)。對于有較強反射峰的物體表面，可以用一組不同量級的曝光時間紀(jì)錄一組 不同強度的圖像，即由較短的曝光時間紀(jì)錄下未達到飽和的反射峰分布，而由較長的 曝光時間紀(jì)錄非峰值處的漫射分布，通過后續(xù)的圖像處理操作可以在計算機里得到 CCD相機無法紀(jì)錄的灰度階。光源系統(tǒng)沿平行于裝置主軸方向平移可以使光束照射到 圓盤3上不同徑向距離處的光纖端面上，通過光纖傳輸以不同的入射角照射到位于半 球殼1球心處的樣品表面，實現(xiàn)不同入射角下散射分布的測量。
所述表面散射光場三維分布的測量將裝置置于待測樣品表面上，使系統(tǒng)軸線垂 直于樣品表面，可調(diào)光闌6貼近樣品表面，打開光源14，光束的一部分經(jīng)分束鏡9反 射后通過光纖2傳輸并經(jīng)光纖端面11會聚照亮樣品表面，另一部分光透過分束鏡9 照射到光源功率監(jiān)測器8的表面以實時監(jiān)測光源輸出功率的變化。調(diào)節(jié)可調(diào)光闌6可 以改變照射到樣品表面上的光斑面積。樣品表面的反射或散射光通過光纖2傳輸?shù)綀A 盤3處并透過分束鏡9由透鏡5成像于CCD相機4上，CCD相機4的曝光時間可以 調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同的反射或散射光強度。
圖2中鉆孔半球殼1上的圓孔10沿鉆孔半球殼1表面均勻分布，孔徑可取 0.5mm 2mm，孔間距可取lmm 2mm。實施例中孔徑可取lmm，孔間距可取lmm。所有圓孔的軸垂直于鉆孔半球殼1表面并指向球心，鉆孔半球殼內(nèi)壁涂黑以防止未照 射到光纖端面的光在鉆孔半球殼內(nèi)壁發(fā)生反射。
圖3表示了光纖一端插入鉆孔半球殼1的情況，光纖直徑等于圓孔10的孔徑為 lmm。光纖端面11距鉆孔半球殼1內(nèi)壁有一段距離，且圓孔內(nèi)壁涂黑，這樣限制了入 射光和接收光的方向并減弱了光纖端面反射造成的干擾。光纖端面為凸透鏡形狀，可 以在不使用外加透鏡的條件下對入射光束和接收光束進行會聚，.使輻射和反射測量更 精確。
圖4中的可調(diào)光闌6采用旋片式光闌，在測量輻射光場三維分布時用以隔離環(huán)境 光干擾，在測量物體表面散射光場三維分布時不同開孔12的大小可以實現(xiàn)對不同尺度 的表面區(qū)域進行測量，測量時照射光斑的面積大于光闌開孔12的面積，光斑中心的--部分光通過開孔12照射到待測物體表面，這樣在不同的入射角下，照射到待測物體表 面的光斑都是同一面積的圓斑，而輻射照度正比于入射角的余弦。
圖5描述了測量輻射光場三維分布的具體實施過程，本發(fā)明尤其適合于測量如LED 等小型發(fā)光體的光輻射空間分布，可以在不到1秒的時間內(nèi)測得整個半球空間內(nèi)的輻 射光場分布，排除了光源功率波動的影響。
圖6描述了測量表面散射光場三維分布的具體實施過程，本發(fā)明適合于測量不同 尺度物體表面的散射光場三維分布，在測量比較小的樣片時，可以在光闌下裝設(shè)一個 夾具將樣片夾持在光闌開孔處進行測量，測量大型物體表面或不適宜移動的物體表面 時，可將測量裝置直接放置于待測物體表面使可調(diào)光闌6緊貼物體表面，還可以沿物 休表面移動測量裝置以實現(xiàn)對物體表面不同區(qū)域的掃描測量，對于在生產(chǎn)流水線上的 產(chǎn)品測量，將本發(fā)明裝置固定在生產(chǎn)線上適當(dāng)位置處，在產(chǎn)品通過測量裝置的光闌開 孔處時觸發(fā)曝光，可以在線監(jiān)測全方位的產(chǎn)品表面信息。
圖7描述了表面反射分布測量的光入射過程，自光源14發(fā)出的光束經(jīng)透鏡15、 17和小孔16后成為會聚于圓盤3處光纖端面和光源功率監(jiān)測器8接收面的光束，光源系 統(tǒng)和監(jiān)測器8保持在同一軸線上，可以同時沿裝置主軸上下平移。光源上下平移通過 分束鏡反射使得入射光照射在圓盤3不同半徑處的光纖端面上，而圓盤上不同半徑處 的光纖將光傳輸?shù)綄?yīng)的鉆孔半球殼1不同天頂角處，即實現(xiàn)了照射到待測表面的不 同入射角。
圖8描述了從圓盤上光纖端面輸出的光被接收的過程，圓盤3上的孔與鉆孔半球 殼1上的孔一一對應(yīng)，圓盤上光纖插入狀態(tài)和光纖端面設(shè)計與圖4中鉆孔半球殼1上 的相似，透鏡5采用大孔徑短焦距透鏡并鍍增透膜，由圓盤3上光纖端面出射的光可 以完全照射到透鏡5且絕大部分被透鏡5折射到CCD相機4 ， CCD相機4采用工業(yè) 面陣CCD或單反數(shù)碼相機，后者配備存儲卡，可以更好地實現(xiàn)移動測量。
本發(fā)明所述裝置外殼采用剛度較好的金屬殼封裝，外殼內(nèi)壁涂黑色吸光涂層，外 殼上設(shè)置光源位置調(diào)節(jié)及光闌調(diào)節(jié)裝置并可以顯示調(diào)節(jié)值。
權(quán)利要求1.一種測量散射光場三維分布的裝置，其特征在于裝置的組成包括鉆孔半球殼(1)、光纖(2)、鉆孔圓盤(3)、可調(diào)光闌(6)、透鏡(5)、CCD相機(4)、光源系統(tǒng)(7)、光源功率監(jiān)測器(8)和分束鏡(9)；可調(diào)光闌(6)位于裝置底部，鉆孔半球殼(1)位于可調(diào)光闌(6)上，鉆孔圓盤(3)位于鉆孔半球殼(1)之上，二者之間通過若干光纖連接，透鏡(5)位于圓盤3之上，CCD相機(4)位于透鏡(5)之上，在鉆孔圓盤(3)和透鏡(5)之間固定一個法線與裝置主軸成45度角的分束鏡(9)，光源系統(tǒng)(7)位于分束鏡(9)的一側(cè)，其光軸垂直于裝置主軸，光源功率監(jiān)測器(8)與光源系統(tǒng)同軸且位于分束鏡(9)的另一側(cè)，其接收面正對光源輸出光束的中心且與光源系統(tǒng)固連；所述的光源系統(tǒng)7包括光源(14)、透鏡(15)、透鏡(17)和小孔(16)，其構(gòu)成為在透鏡(15與透鏡(17)之間設(shè)計小孔(16)，光源(14)固定在透鏡(15)一側(cè)；所述的可調(diào)光闌(6)的下表面與鉆孔半球殼(1)的赤道面重合，且可調(diào)光闌(6)下表面的中心與鉆孔半球殼(1)的球心重合；所述的鉆孔半球殼(1)、光纖(2)、鉆孔圓盤(3)、可調(diào)光闌(6)、透鏡(5)和成像系統(tǒng)沿裝置主軸同軸分布；所述的鉆孔半球殼(1)和鉆孔圓盤(3)上的孔數(shù)目相等且均勻分布，光纖數(shù)目等于鉆孔半球殼上的孔數(shù)和圓盤上的孔數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量輻射和散射光場三維分布的裝置，其特征在于所述 的鉆孔圓盤(3)上的孔距鉆孔圓盤(3)中心的距離正比于鉆孔半球殼(1)上的 孔的軸線與裝置主軸的夾角，且兩對應(yīng)孔的軸線與光纖軸線在同一平面內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量輻射和散射光場三維分布的裝置，其特征在于所述 的透鏡(5)到鉆孔圓盤(3)的距離大于透鏡(5)的兩倍焦距，透鏡(5)的孔 徑大于鉆孔圓盤(3)的直徑。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量輻射和散射光場三維分布的裝置，其特征在于所述 的CCD相機(4)靶面距離透鏡1倍焦距到2倍焦距之間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量輻射和散射光場三維分布的裝置，其特征在于所述 的鉆孔半球殼(1)上的圓孔(10)沿鉆孔半球殼(1)表面均勻分布，孔徑可取 0.5mm 2mm，孔間距可取lmm 2mm，所有圓孔(10)的軸垂直于鉆孔半球殼(1) 表面并指向球心。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量輻射和散射光場三維分布的裝置，其特征在于所述 鉆孔半球殼(1)上的圓孔(10)的孔徑與鉆孔圓盤(3)上圓孔的孔徑與光纖(2) 的直徑相等。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量輻射和散射光場三維分布的裝置，其特征在于所述 的所述光纖(2)的兩個端面(11)為凸形聚光設(shè)計或在光纖兩端加裝與光纖同軸 的自聚焦透鏡。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量輻射和散射光場三維分布的裝置，其特征在于所述 的鉆孔半球殼(1)的內(nèi)壁及圓孔(10)的內(nèi)壁涂黑色吸光涂層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量輻射和散射光場三維分布的裝置，其特征在于所述可調(diào)光闌(6)采用旋片式光闌。
專利摘要本實用新型涉及一種測量散射光場三維分布的裝置，其特征在于可調(diào)光闌6位于裝置底部，鉆孔半球殼1位于可調(diào)光闌6上，鉆孔圓盤3位于鉆孔半球殼1之上，二者之間通過若干光纖連接，透鏡5位于圓盤3之上，CCD相機4位于透鏡5之上；在鉆孔圓盤3和透鏡5之間固定一個法線與裝置主軸成45度角的分束鏡9，光源系統(tǒng)7位于分束鏡9的一側(cè)，光源功率監(jiān)測器8與光源系統(tǒng)同軸且位于分束鏡9的另一側(cè)。有益效果在于采用光纖和面陣CCD相機可以快速地測量物體表面散射光場的空間分布，在光散射測量過程中利用光源功率監(jiān)測器對光源的輸出功率進行實時監(jiān)測從而避免了光源輸出穩(wěn)定性對測量結(jié)果的影響。
文檔編號G01J1/04GK201149524SQ20082002816
公開日2008年11月12日 申請日期2008年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月22日
發(fā)明者駒 任, 趙建林 申請人:西北工業(yè)大學(xué)