一种测量辐射和散射光场三维分布的装置

摘要

本发明涉及一种测量辐射和散射光场三维分布的装置，其特征在于：可调光阑6位于装置底部，钻孔半球壳1位于可调光阑6上，钻孔圆盘3位于钻孔半球壳1之上，二者之间通过若干光纤连接，透镜5位于圆盘3之上，CCD相机4位于透镜5之上；在钻孔圆盘3和透镜5之间固定一个法线与装置主轴成45度角的分束镜9，光源系统7位于分束镜9的一侧，光源功率监测器8与光源系统同轴且位于分束镜9的另一侧。有益效果在于采用光纤和面阵CCD相机可以快速地测量光源辐射光场的空间分布或物体表面散射光场的空间分布，在光散射测量过程中利用光源功率监测器对光源的输出功率进行实时监测从而避免了光源输出稳定性对测量结果的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量辐射和散射光场三维分布的装置，具体涉及利用光纤传输并通过阵列式探测器测量三维辐射和散射光场分布的领域。

背景技术

物体表面散射光场分布可以用双向反射分布函数(BRDF)描述。BRDF纪录了物体表面对不同方向的入射光在各个角度的反射分布，是一个多元函数，测量过程复杂。

现有的辐射及散射光场分布测量方法主要有两类：一类是利用一个或多个光电探测器在待测样品表面上方作二维或一维扫描，逐点探测各个观测角度的光强，如M.Barilli和A.Mazzoni的论文《An equipment for measuring 3D bi-directional scatteringdistribution function of black painted and differently machined surfaces》(Proc.of SPIE，59620L，2005)；另一类是利用成像系统将各个反射角的光强分布成像到阵列式探测器上，再通过图像处理得到散射光强分布值，如Kristin J Dana等的论文《Device forconvenient measurement of spatially varying bidirecional reflectance》(J.Opt.Soc.Am.A/Vol.21，No.1，2004)。

第一类方法中，探测器响应范围较大，配合后续电路可以实现任意角度处反射光强的精确测量，其缺点是耗时多，虽然采用计算机控制自动扫描测量可以提高测量速度，但仍不能实现实时的在线测量，且测量过程中容易因光源输出功率及探测器响应度变化而受到影响，重复性较差。

第二类方法中，各个角度的散射光强度由光学成像和图像采集的方法获取，可以实现在短时间内同时测量空间各个角度的光强分布，因此测量结果比较稳定，重复性好。但是CCD等图像采集器件多为平面阵列结构，要实现对散射到整个半空间的各个方向光信号的采集，需要适合的系统对光线方向进行变换。Kristin J Dana等采用离轴抛物面镜，将散射到不同方向的光线反射到同一方向并通过CCD相机进行纪录，但只能接收半球空间中某一立体角范围内的散射光，且由于CCD的动态响应范围较小，光强空间分布起伏较大时会产生饱和现象，使得测量结果不能准确描述较强的镜向反射峰。另外，该方法需要在实验室中进行，限制了移动性强的野外测量。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种测量辐射和散射光场三维分布的装置，所要解决的问题主要有：1.系统应能在较短的时间内完成辐射或散射光场测量。2.系统的重复性误差较小。3.系统能对较大范围内的辐射或散射光强进行精确测量。4.系统应能实现整个半球空间辐射或散射光场的三维分布测量。5.系统应方便进行野外测量。

技术方案

一种测量辐射光场三维分布的装置，其特征在于：装置的组成包括钻孔半球壳1、光纤2、钻孔圆盘3、可调光阑6、透镜5和CCD相机4；可调光阑6位于装置底部，钻孔半球壳1位于可调光阑6上，钻孔圆盘3位于钻孔半球壳1之上，二者之间通过若干光纤连接，透镜5位于圆盘3之上，CCD相机4位于透镜5之上；所述的可调光阑6的下表面与钻孔半球壳1的赤道面重合，且可调光阑6下表面的中心与钻孔半球壳1的球心重合；所述的钻孔半球壳1、光纤2、钻孔圆盘3、可调光阑6、透镜5和成像系统沿装置主轴同轴分布；所述的钻孔半球壳1和钻孔圆盘3上的孔数目相等且均匀分布，光纤数目等于钻孔半球壳上的孔数和圆盘上的孔数。

一种测量散射光场三维分布的装置，其特征在于：装置的组成包括钻孔半球壳1、光纤2、钻孔圆盘3、可调光阑6、透镜5、CCD相机4、光源系统7、光源功率监测器8和分束镜9；可调光阑6位于装置底部，钻孔半球壳1位于可调光阑6上，钻孔圆盘3位于钻孔半球壳1之上，二者之间通过若干光纤连接，透镜5位于圆盘3之上，CCD相机4位于透镜5之上，在钻孔圆盘3和透镜5之间固定一个法线与装置主轴成45度角的分束镜9，光源系统7位于分束镜9的一侧，其光轴垂直于装置主轴，光源功率监测器8与光源系统同轴且位于分束镜9的另一侧，其接收面正对光源输出光束的中心且与光源系统固连；所述的光源系统7包括光源18、透镜15、透镜17和小孔16，其构成为：在透镜15与透镜17之间设计小孔16，光源A固定在透镜15一侧；所述的可调光阑6的下表面与钻孔半球壳1的赤道面重合，且可调光阑6下表面的中心与钻孔半球壳1的球心重合；所述的钻孔半球壳1、光纤2、钻孔圆盘3、可调光阑6、透镜5和成像系统沿装置主轴同轴分布；所述的钻孔半球壳1和钻孔圆盘3上的孔数目相等且均匀分布，光纤数目等于钻孔半球壳上的孔数和圆盘上的孔数。

所述的钻孔圆盘3上的孔距钻孔圆盘3中心的距离正比于钻孔半球壳1上的孔的轴线与装置主轴的夹角，且两对应孔的轴线与光纤轴线在同一平面内。

所述的透镜5到钻孔圆盘3的距离大于透镜5的两倍焦距，透镜5的孔径大于钻孔圆盘3的直径。

所述的CCD相机4靶面距离透镜1倍焦距到2倍焦距之间。

所述的钻孔半球壳1上的圆孔10沿钻孔半球壳1表面均匀分布，孔径可取0.5mm～2mm，孔间距可取1mm～2mm，所有圆孔10的轴垂直于钻孔半球壳1表面并指向球心。

所述钻孔半球壳1上的圆孔10的孔径与钻孔圆盘3上圆孔的孔径与光纤2的直径相等。

所述的所述光纤2的两个端面11为凸形聚光设计或在光纤两端加装与光纤同轴的自聚焦透镜。

所述的钻孔半球壳1的内壁及圆孔10的内壁涂黑色吸光涂层。

所述可调光阑6采用旋片式光阑。

有益效果

本发明的有益效果在于采用光纤和面阵CCD相机可以快速地测量光源辐射光场的空间分布或物体表面散射光场的空间分布，在光散射测量过程中利用光源功率监测器对光源的输出功率进行实时监测从而避免了光源输出稳定性对测量结果的影响。

利用分束镜使得入射光的输入与反射光的输出互不影响，可以测量包括后向反射在内的整个半空间中的双向反射分布。

利用光纤端面会聚光束并通过可调光阑来限制光束可以很好地控制入射光斑的面积。

CCD相机曝光时间可调，能够对多个不同强度量级的反射分布进行准确测量。

整个装置集电源、光源、测试光路、调节、存储和控制单元于一个紧凑的整体，方便实时在线测量及野外测量。

附图说明

图1是本发明辐射光场三维分布测量装置的剖视图；

图2是本发明散射光场三维分布测量装置的剖视图；

图3是本发明中钻孔半球壳的俯视图；

图4是本发明中光纤插入钻孔半球壳处的局部放大剖视图；

图5是本发明中可调光阑的俯视图；

图6A是图1所示辐射光场三维分布测量装置的底部放大剖视图；

图6B是图2所示散射光场三维分布测量装置的底部放大剖视图；

图7是本发明散射光场三维分布测量装置的光入射示意图；

图8是本发明散射光场三维分布测量装置的光接收示意图；

1-钻孔半球壳；2-光纤；3-钻孔圆盘；6-可调光阑；5-透镜；4-CCD相机；7-光源系统；8-光源功率监测器；9-分束镜；10-圆孔；11-端面；12-中间孔；13-光源；14-待测样品；15-透镜；16-小孔；17-透镜；18-光源。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步描述：

实施例1：如图1所示的辐射光场三维分布测量装置包括钻孔半球壳1、光纤2、钻孔圆盘3、可调光阑6和成像系统。所有组件沿装置主轴同轴分布，可调光阑6位于装置底部，钻孔半球壳1位于可调光阑6上，可调光阑6的下表面与钻孔半球壳1的赤道面重合，且可调光阑6下表面的中心与钻孔半球壳1的球心重合。钻孔圆盘3位于钻孔半球壳1之上，二者之间通过若干光纤连接，光纤数目等于钻孔半球壳上的孔数和圆盘上的孔数，分别位于圆盘3和钻孔半球壳1上且为同一根光纤所连接的两个孔相对应，即圆盘3上的孔距圆盘3中心的距离正比于钻孔半球壳1上的孔的轴线与装置主轴的夹角(天顶角)，且两对应孔的轴线与光纤轴线在同一平面内。透镜5位于圆盘3之上，到圆盘3的距离大于透镜5的两倍焦距，透镜5的孔径大于圆盘3的直径，可以确保所有从圆盘上光纤端面出射的光束都能被透镜5接收。CCD相机4位于透镜5之上，CCD靶面距离透镜1倍焦距到2倍焦距之间，圆盘3上的光纤端面成像于CCD靶面。此装置适合测量发光二极管(LED)等小体积光源的光辐射角分布，还可以用于测量显示器视角特性。测量光源辐射分布时将待测光源13置于钻孔半球壳球心位置处，并调节可调光阑6的大小使其中心孔12的大小等于待测光源13的大小以防止外界环境光的干扰，如图1和图6A所示，然后根据光源辐射强度的大小选择适当的曝光时间，通过CCD相机4纪录下光源在整个半球空间中各个角度的辐射光强并存储在相机所携带的存储卡内。

所述光源辐射光场三维分布的测量：将待测光源13置于钻孔半球壳1的球心处，调节可调光阑6使其中间孔12的大小与待测光源13相当，可调光阑6阻挡了外界环境光的影响，且其表面为吸光涂层。由光源辐射的光经光纤2传输至圆盘3处并由透镜5成像于CCD相机4上，CCD相机4的曝光时间可以调节以适应不同的光源辐射强度。

实施例2：如图2所示的物体表面散射光场三维分布测量装置包括钻孔半球壳1、光纤2、钻孔圆盘3、光源功率监测器8、分束镜9、可调光阑6、光源系统和成像系统。该装置结构是在与实施例1所述装置相同结构装置的基础上附加了光源功率监测器8、分束镜9及光源系统部分。分束镜9固定于圆盘3和透镜5之间，其法线与装置主轴成45度角。光源系统7由光源18、透镜15、17和小孔16组成，光源系统7位于圆盘3和透镜5之间，在分束镜9的一侧，其光轴垂直于装置主轴，光源系统7装配在平行于装置主轴的滑轨上，可以沿装置主轴方向平移。光源功率监测器8与光源系统7同轴且位于分束镜9的另一侧，其接收面正对光源输出光束的中心且与光源系统固连，可以与光源系统同步运动。光源18可以采用半导体激光器或其他准直白光光源，光源18出射的光束经透镜15、17会聚和小孔16滤波后，一部分由分束镜9反射会聚于圆盘3上光纤端面处，一部分透过分束镜9会聚于光源功率监测器8表面。测量时将待测样品14置于钻孔半球壳球心位置处或将测量装置置于待测物体表面上，并调节可调光阑6的中心孔12的大小以改变照射到样品或物体表面光斑的面积，如图2和图6B所示。然后根据待测表面的反射特性选择适当的曝光时间，通过CCD相机4纪录下表面在整个半球空间中各个角度的散射光强并存储在相机所携带的存储卡内。对于有较强反射峰的物体表面，可以用一组不同量级的曝光时间纪录一组不同强度的图像，即由较短的曝光时间纪录下未达到饱和的反射峰分布，而由较长的曝光时间纪录非峰值处的漫射分布，通过后续的图像处理操作可以在计算机里得到CCD相机无法纪录的灰度阶。光源系统沿平行于装置主轴方向平移可以使光束照射到圆盘3上不同径向距离处的光纤端面上，通过光纤传输以不同的入射角照射到位于半球壳1球心处的样品表面，实现不同入射角下散射分布的测量。

所述表面散射光场三维分布的测量：将装置置于待测样品表面上，使系统轴线垂直于样品表面，可调光阑6贴近样品表面，打开光源18，光束的一部分经分束镜9反射后通过光纤2传输并经光纤端面11会聚照亮样品表面，另一部分光透过分束镜9照射到光源功率监测器8的表面以实时监测光源输出功率的变化。调节可调光阑6可以改变照射到样品表面上的光斑面积。样品表面的反射或散射光通过光纤2传输到圆盘3处并透过分束镜9由透镜5成像于CCD相机4上，CCD相机4的曝光时间可以调节以适应不同的反射或散射光强度。

图3中钻孔半球壳1上的圆孔10沿钻孔半球壳1表面均匀分布，孔径可取0.5mm～2mm，孔间距可取1mm～2mm。实施例中孔径可取1mm，孔间距可取1mm。所有圆孔的轴垂直于钻孔半球壳1表面并指向球心，钻孔半球壳内壁涂黑以防止未照射到光纤端面的光在钻孔半球壳内壁发生反射。

图4表示了光纤一端插入钻孔半球壳1的情况，光纤直径等于圆孔10的孔径为1mm。光纤端面11距钻孔半球壳1内壁有一段距离，且圆孔内壁涂黑，这样限制了入射光和接收光的方向并减弱了光纤端面反射造成的干扰。光纤端面为凸透镜形状，可以在不使用外加透镜的条件下对入射光束和接收光束进行会聚，使辐射和反射测量更精确。

图5中的可调光阑6采用旋片式光阑，在测量辐射光场三维分布时用以隔离环境光干扰，在测量物体表面散射光场三维分布时不同开孔12的大小可以实现对不同尺度的表面区域进行测量，测量时照射光斑的面积大于光阑开孔12的面积，光斑中心的一部分光通过开孔12照射到待测物体表面，这样在不同的入射角下，照射到待测物体表面的光斑都是同一面积的圆斑，而辐射照度正比于入射角的余弦。

图6A描述了测量辐射光场三维分布的具体实施过程，本发明尤其适合于测量如LED等小型发光体的光辐射空间分布，可以在不到1秒的时间内测得整个半球空间内的辐射光场分布，排除了光源功率波动的影响。

图6B描述了测量表面散射光场三维分布的具体实施过程，本发明适合于测量不同尺度物体表面的散射光场三维分布，在测量比较小的样片时，可以在光阑下装设一个夹具将样片夹持在光阑开孔处进行测量，测量大型物体表面或不适宜移动的物体表面时，可将测量装置直接放置于待测物体表面使可调光阑6紧贴物体表面，还可以沿物体表面移动测量装置以实现对物体表面不同区域的扫描测量，对于在生产流水线上的产品测量，将本发明装置固定在生产线上适当位置处，在产品通过测量装置的光阑开孔处时触发曝光，可以在线监测全方位的产品表面信息。

图7描述了表面反射分布测量的光入射过程，自光源18发出的光束经透镜15、17和小孔16后成为会聚于圆盘3处光纤端面和光源功率监测器8接收面的光束，光源系统和监测器8保持在同一轴线上，可以同时沿装置主轴上下平移。光源上下平移通过分束镜反射使得入射光照射在圆盘3不同半径处的光纤端面上，而圆盘上不同半径处的光纤将光传输到对应的钻孔半球壳1不同天顶角处，即实现了照射到待测表面的不同入射角。

图8描述了从圆盘上光纤端面输出的光被接收的过程，圆盘3上的孔与钻孔半球壳1上的孔一一对应，圆盘上光纤插入状态和光纤端面设计与图4中钻孔半球壳1上的相似，透镜5采用大孔径短焦距透镜并镀增透膜，由圆盘3上光纤端面出射的光可以完全照射到透镜5且绝大部分被透镜5折射到CCD相机4，CCD相机4采用工业面阵CCD或单反数码相机，后者配备存储卡，可以更好地实现移动测量。

本发明所述装置外壳采用刚度较好的金属壳封装，外壳内壁涂黑色吸光涂层，外壳上设置光源位置调节及光阑调节装置并可以显示调节值。