BRDF光谱仪 双向透射分布函数测量系统

                                     BRDF双向反射分布函数测量仪

双向反射分布函数测量仪（BRDF）

技术方案书

一、测量原理

1、双向反射分布函数定义

双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function)表示了不同入射角条件下物体表面在任意观测角的反射特性，如图1所示。双向反射分布函数是光辐射的反射辐亮度和入射辐照度的比值。其数学表达式为

（1）式中：为入射光的入射角和方位角，为反射光的反射角和方位角，是面元经照射后在（）方向上的辐照度，单位为，是方向上入射光产生的表面辐照度，单位为。则的单位为。的物理意义是沿着方向（）出射的辐照度与方向入射在被测表面产生的辐照度之比。双向反射分布函数是入射角（），反射角（）、波长的函数。

图1 光反射几何图

2、双向透射分布函数定义

双向透射分布函数(Bidirectional Transmittance Distribution Function)表示了不同入射角条件下物体表面在任意观测角的透射特性，如图2所示。双向透射分布函数是光辐射的透射辐亮度和入射辐照度的比值。其数学表达式为

（2）式中：为入射光的入射角和方位角，为反射光的反射角和方位角，是面元经照射后在（）方向上的辐照度，单位为，是方向上入射光产生的表面辐照度，单位为。则的单位为。的物理意义是沿着方向（）出射的辐照度与方向入射在被测表面产生的辐照度之比。双向反射分布函数是入射角（）、反射角（）、波长的函数。

图2 光透射几何图

二、测量方案

根据双向反射/透射分布函数的定义，BRDF测量方法是分别测出入射光谱辐照度和反射光谱辐亮度，两者之比即为BRDF。

注：本方案中采用相对反射率测量方法

双向反射分布函数的测量平台如图3所示。照明光纤探头和接收光纤探头分别固定在带滑轨的悬臂梁上，测试材料样片放置在样品台上，通过悬臂梁的圆周运动以及照明和接收光纤探头在悬臂梁上的滑动获得不同的光照与观测条件。整个过程在计算机的控制下实现数据的自动采集与处理。

整个测量设备包括照明系统、探测系统、测量机械系统和数据处理系统。在测量过程中，通过接口软件将辐射测量软件和测量机械系统的控制软件整合在一起，通过计算机自动控制实验的整个测量过程，使得实验操作起来简便、快速、省时。同时，研制数据采集软件，实时进行数据采集并输出结果。

图3 BRDF测量平台

1、 系统整体结构支架采用铝合金型材搭建，外表美观，结构稳定。

2、 光源及探测器支架采用喷涂低反射比铝合金制成，探测器以导轨做导向实现角度范围的测量；探头部分光纤连接，光纤有最小弯折半径要求，入射光源与探测部分原则上均通过光纤引出和引入。

3、光源安装在外弓上，直径可选，可以一个自由度旋转。探测器安装在内弓上，可以2个自由度旋转。样品安装在底座旋转台上，可以实现一个自由度旋转。通过组合可以实现BRDF所有条件的测量。

4、样品台固定，不跟随旋转台一起转动，从而实现照明角度和探测角度的任意调整。

5、 电脑软件操作控制系统电机移动（在一台电脑上的一个软件中，调节方便），实现精确的点位控制，最小角度分辨率0.1-0.5°，角度调节速度可控。

三、指标要求

BRDF测量仪技术指标

四、双向反射分布函数测量仪操作软件

1. 该软件主要功能包括运动平台控制、光谱仪控制、手动/全自动测量、数据采集保存。

运动平台共有四个旋转自由度：旋转台（方位0~360°）、照明臂（俯仰0~90°）、反射测量臂（俯仰0~90°）和透射测量臂（60°~90°），对应1~4轴号（注：本方案中没有透射测量臂）。通过该软件能控制这四个轴的运动参数，如移动到目标角度、置零、回原点、停止等，并能显示当前状态，如当前角度等，如下图所示

1. 光谱仪控制：

（1）显示已连接的光谱仪通道，可设置测量光谱间隔。

（2）选择测量模式为幅度模式或反射/透射模式。在选择反射/透射模式前需进行存白、存黑操作。

（3）显示光谱仪默认的测量参数，并可对“平滑像素”、“平均次数”、“积分时间”等参数进行更改。

（4）在幅度模式下，在点击“开始测量”按钮得到光谱后，通过点击“存白”按钮保存参考，点击“存黑”按钮保存暗背景。

2. 手动采集：通过软件设置运动平台的角度位置和光谱仪参数，点击“手动测量”可采集一次反射/投射数据。

3. 全自动采集：该软件能控制运动平台和光谱仪协同工作，以实现全自动反射数据采集。

(1) 设定平台运动方案

①、设定旋转台调整角度范围（起始角度和终止角度）、步进角度；

②、设定照明臂调整角度范围（起始角度和终止角度）、步进角度；

③、设定反射/透射臂调整角度范围（起始角度和终止角度）、步进角度；

注：调整角度范围应是步进角度的整数倍；在一个测量方案中，旋转台、照明臂、反射/透射臂的角度可以是固定在某个角度，将该轴的起始角度和终止角度设成某一相同值即可。

(2) 设定光谱仪参数

(3) 点击“全自动测量”，运动平台各轴跑到起始角度，然后按照先进行三级扫描——反射/透射臂（探测臂俯仰角）扫描，再进行二级扫描——旋转台（探测方位角）扫描，最后进行一级扫描——照明臂扫描的顺序运动。

(4) 运动平台每跑到一个位置，需稳定一段时间，然后光谱仪再进行测量采集。

4. 数据保存

光谱仪的每一次测量都输出的一组数据，该数据为两列，第一列是波长，第二列是与波长对应的反射/透射比。该数据保存为txt文件，文件名中包含测量序号以及三个角度信息如：“2.12.128_照明臂角度_探测臂方位角度_探测臂俯仰角度.txt”。其中，测量序号的格式为“一级扫描序号.二级扫描序号.三级扫描序号”，例如“2.12.128”的含义为照明臂第2个扫描位置. 旋转台第12个扫描位置. 探测臂第128个扫描位置。

五、功能与配置

1. 功能

各种材料可见光至近红外双向反射分布函数(双向透射分布函数)的自动测量。

2. 配置

(1) 光谱仪：单通道

(2) 测量平台：三个旋转自由度

(3) 测量仪与转台的接口软件；

(4) 光谱测量软件；

(5) 控制/测量计算机（为了便于测量，需配置1台高性能笔记本电脑，用于测量数据的采集与存储）