雙向反射函數測量系統

                                     BRDF雙向反射分布函數測量儀

雙向反射分布函數測量儀（BRDF）

技術方案書

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，是面元經照射后在（）方向上的輻照度，單位為，是方向上入射光產生的表面輻照度，單位為。則的單位為。的物理意義是沿著方向（）出射的輻照度與方向入射在被測表面產生的輻照度之比。雙向反射分布函數是入射角（），反射角（）、波長的函數。

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，是面元經照射后在（）方向上的輻照度，單位為，是方向上入射光產生的表面輻照度，單位為。則的單位為。的物理意義是沿著方向（）出射的輻照度與方向入射在被測表面產生的輻照度之比。雙向反射分布函數是入射角（）、反射角（）、波長的函數。

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，通過懸臂梁的圓周運動以及照明和接收光纖探頭在懸臂梁上的滑動獲得不同的光照與觀測條件。整個過程在計算機的控制下實現數據的自動采集與處理。

整個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。在測量過程中，通過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，通過計算機自動控制實驗的整個測量過程，使得實驗操作起來簡便、快速、省時。同時，研制數據采集軟件，實時進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，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光纖引出和引入。

3、光源安裝在外弓上，直徑可選，可以一個自由度旋轉。探測器安裝在內弓上，可以2個自由度旋轉。樣品安裝在底座旋轉臺上，可以實現一個自由度旋轉。通過組合可以實現BRDF所有條件的測量。

4、樣品臺固定，不跟隨旋轉臺一起轉動，從而實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（在一臺電腦上的一個軟件中，調節方便），實現精確的點位控制，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測量儀技術指標

四、雙向反射分布函數測量儀操作軟件

1. 該軟件主要功能包括運動平臺控制、光譜儀控制、手動/全自動測量、數據采集保存。

運動平臺共有四個旋轉自由度：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：本方案中沒有透射測量臂）。通過該軟件能控制這四個軸的運動參數，如移動到目標角度、置零、回原點、停止等，并能顯示當前狀態，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"、“積分時間"等參數進行更改。

（4）在幅度模式下，在點擊“開始測量"按鈕得到光譜后，通過點擊“存白"按鈕保存參考，點擊“存黑"按鈕保存暗背景。

2. 手動采集：通過軟件設置運動平臺的角度位置和光譜儀參數，點擊“手動測量"可采集一次反射/投射數據。

3. 全自動采集：該軟件能控制運動平臺和光譜儀協同工作，以實現全自動反射數據采集。

(1) 設定平臺運動方案

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）、步進角度；

注：調整角度范圍應是步進角度的整數倍；在一個測量方案中，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) 點擊“全自動測量"，運動平臺各軸跑到起始角度，然后按照先進行三級掃描——反射/透射臂（探測臂俯仰角）掃描，再進行二級掃描——旋轉臺（探測方位角）掃描，最后進行一級掃描——照明臂掃描的順序運動。

(4) 運動平臺每跑到一個位置，需穩定一段時間，然后光譜儀再進行測量采集。

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，第二列是與波長對應的反射/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個掃描位置. 旋轉臺第12個掃描位置. 探測臂第128個掃描位置。

五、功能與配置

1. 功能

各種材料可見光至近紅外雙向反射分布函數(雙向透射分布函數)的自動測量。

2. 配置

(1) 光譜儀：單通道

(2) 測量平臺：三個旋轉自由度

(3) 測量儀與轉臺的接口軟件；

(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）