BRDF光譜儀 雙向透射分布函數(shù)測(cè)量系統(tǒng)
- 公司名稱(chēng) 北京創(chuàng)譜科技有限公司
- 品牌
- 型號(hào) BRDF光譜儀
- 產(chǎn)地
- 廠商性質(zhì) 生產(chǎn)廠家
- 更新時(shí)間 2024/8/12 8:30:26
- 訪問(wèn)次數(shù) 1841
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LIBS光譜系統(tǒng)，光譜水質(zhì)探頭，在線光譜分析，高光譜相機(jī)，量子效率光譜，BRDF系統(tǒng)，拉曼光譜，模塊與子系統(tǒng)，服務(wù)與定制
| 按探測(cè)器 | CCD | 光譜范圍 | 近紅外 |
|---|---|---|---|
| 價(jià)格區(qū)間 | 面議 | 應(yīng)用領(lǐng)域 | 環(huán)保,生物產(chǎn)業(yè),農(nóng)業(yè),能源,綜合 |
| 雜散光 | ≤1% |
BRDF雙向反射分布函數(shù)測(cè)量?jī)x
雙向反射分布函數(shù)測(cè)量?jī)x（BRDF）
技術(shù)方案書(shū)
一、測(cè)量原理
1、雙向反射分布函數(shù)定義
雙向反射分布函數(shù)(Bidirectional Reflectance Distribution Function)表示了不同入射角條件下物體表面在任意觀測(cè)角的反射特性，如圖1所示。雙向反射分布函數(shù)是光輻射的反射輻亮度和入射輻照度的比值。其數(shù)學(xué)表達(dá)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(jīng)照射后在（）方向上的輻照度，單位為
，
是
方向上入射光產(chǎn)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(cè)表面產(chǎn)生的輻照度之比。雙向反射分布函數(shù)是入射角（），反射角（）、波長(zhǎng)
的函數(shù)。
圖1 光反射幾何圖
2、雙向透射分布函數(shù)定義
雙向透射分布函數(shù)(Bidirectional Transmittance Distribution Function)表示了不同入射角條件下物體表面在任意觀測(cè)角的透射特性，如圖2所示。雙向透射分布函數(shù)是光輻射的透射輻亮度和入射輻照度的比值。其數(shù)學(xué)表達(dá)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(jīng)照射后在（）方向上的輻照度，單位為，是方向上入射光產(chǎn)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(cè)表面產(chǎn)生的輻照度之比。雙向反射分布函數(shù)是入射角（）、反射角（）、波長(zhǎng)的函數(shù)。
圖2 光透射幾何圖
二、測(cè)量方案
根據(jù)雙向反射/透射分布函數(shù)的定義，BRDF測(cè)量方法是分別測(cè)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(duì)反射率測(cè)量方法
雙向反射分布函數(shù)的測(cè)量平臺(tái)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(cè)試材料樣片放置在樣品臺(tái)上，通過(guò)懸臂梁的圓周運(yùn)動(dòng)以及照明和接收光纖探頭在懸臂梁上的滑動(dòng)獲得不同的光照與觀測(cè)條件。整個(gè)過(guò)程在計(jì)算機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與處理。
整個(gè)測(cè)量設(shè)備包括照明系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)、測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。在測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)接口軟件將輻射測(cè)量軟件和測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)的控制軟件整合在一起，通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)的整個(gè)測(cè)量過(guò)程，使得實(shí)驗(yàn)操作起來(lái)簡(jiǎn)便、快速、省時(shí)。同時(shí)，研制數(shù)據(jù)采集軟件，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并輸出結(jié)果。
圖3 BRDF測(cè)量平臺(tái)
1、 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)支架采用鋁合金型材搭建，外表美觀，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
2、 光源及探測(cè)器支架采用噴涂低反射比鋁合金制成，探測(cè)器以導(dǎo)軌做導(dǎo)向?qū)崿F(xiàn)角度范圍的測(cè)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(cè)部分原則上均通過(guò)光纖引出和引入。
3、光源安裝在外弓上，直徑可選，可以一個(gè)自由度旋轉(zhuǎn)。探測(cè)器安裝在內(nèi)弓上，可以2個(gè)自由度旋轉(zhuǎn)。樣品安裝在底座旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)自由度旋轉(zhuǎn)。通過(guò)組合可以實(shí)現(xiàn)BRDF所有條件的測(cè)量。
4、樣品臺(tái)固定，不跟隨旋轉(zhuǎn)臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)照明角度和探測(cè)角度的任意調(diào)整。
5、 電腦軟件操作控制系統(tǒng)電機(jī)移動(dòng)（在一臺(tái)電腦上的一個(gè)軟件中，調(diào)節(jié)方便），實(shí)現(xiàn)精確的點(diǎn)位控制，最小角度分辨率0.1-0.5°，角度調(diào)節(jié)速度可控。
三、指標(biāo)要求
BRDF測(cè)量?jī)x技術(shù)指標(biāo)
測(cè)量光譜參數(shù) | 光譜范圍 | 可見(jiàn)光近紅外：380nm~1100nm |
光譜分辨率 | 可見(jiàn)光通道分辨率為2.5nm，（近紅外通道可擴(kuò)展） | |
照明光源 調(diào)整 | 照明范圍 | 自動(dòng)調(diào)整：天頂角： 方位角相對(duì)于樣品固定。 |
角解析度 | 天頂角0.10 | |
定位精度 | 天頂角±0.10 | |
光源光譜范圍 |
| |
| 光譜解析度 | 寬光譜輸出, 可配置濾光片調(diào)節(jié)輸出 | |
| 照明光源型號(hào) | 高功率鹵素?zé)?/span>(Halogen)或LDLS激光等離子體光源 | |
| 物體上被照明區(qū)域的大小 | 可調(diào)整，范圍從10 mm到20 mm直徑 | |
反射觀測(cè) 調(diào)整 | 觀測(cè)范圍 | 自動(dòng)調(diào)整： 天頂角 90°附近有10-15°左右觀測(cè)死角）； 方位角： |
角解析度 | 0.3-0.50 | |
定位精度 | ±0.3-0.50 | |
透射觀測(cè) 調(diào)整（本方案不包含 | 觀測(cè)范圍 | 自動(dòng)調(diào)整： 天頂角： 方位角： |
角解析度 | 0.30 | |
定位精度 | ±0.30 | |
探測(cè)器及 光譜儀 | 光譜儀主機(jī)型號(hào) | AvaSpec- NIR256-2.5-HSC AvaSpec- HERO |
光譜儀附件 | 見(jiàn)附表 | |
探測(cè)器光譜范圍 |
| |
光譜解析度 | 2.5nm@200-1100nm 16nm@1100-2500nm | |
測(cè)量精度 | ≤10% | |
雜散光 | ≤1% | |
觀測(cè)角度 | 0.5° | |
光源角度 | 0.5° | |
四、雙向反射分布函數(shù)測(cè)量?jī)x操作軟件
1. 該軟件主要功能包括運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制、光譜儀控制、手動(dòng)/全自動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)采集保存。
運(yùn)動(dòng)平臺(tái)共有四個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度：旋轉(zhuǎn)臺(tái)（方位0~360°）、照明臂（俯仰0~90°）、反射測(cè)量臂（俯仰0~90°）和透射測(cè)量臂（60°~90°），對(duì)應(yīng)1~4軸號(hào)（注：本方案中沒(méi)有透射測(cè)量臂）。通過(guò)該軟件能控制這四個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如移動(dòng)到目標(biāo)角度、置零、回原點(diǎn)、停止等，并能顯示當(dāng)前狀態(tài)，如當(dāng)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(shè)置測(cè)量光譜間隔。
（2）選擇測(cè)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(jìn)行存白、存黑操作。
（3）顯示光譜儀默認(rèn)的測(cè)量參數(shù)，并可對(duì)“平滑像素”、“平均次數(shù)”、“積分時(shí)間”等參數(shù)進(jìn)行更改。
（4）在幅度模式下，在點(diǎn)擊“開(kāi)始測(cè)量”按鈕得到光譜后，通過(guò)點(diǎn)擊“存白”按鈕保存參考，點(diǎn)擊“存黑”按鈕保存暗背景。
2. 手動(dòng)采集：通過(guò)軟件設(shè)置運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的角度位置和光譜儀參數(shù)，點(diǎn)擊“手動(dòng)測(cè)量”可采集一次反射/投射數(shù)據(jù)。
3. 全自動(dòng)采集：該軟件能控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和光譜儀協(xié)同工作，以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)反射數(shù)據(jù)采集。
(1) 設(shè)定平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方案
①、設(shè)定旋轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)整角度范圍（起始角度和終止角度）、步進(jìn)角度；
②、設(shè)定照明臂調(diào)整角度范圍（起始角度和終止角度）、步進(jìn)角度；
③、設(shè)定反射/透射臂調(diào)整角度范圍（起始角度和終止角度）、步進(jìn)角度；
注：調(diào)整角度范圍應(yīng)是步進(jìn)角度的整數(shù)倍；在一個(gè)測(cè)量方案中，旋轉(zhuǎn)臺(tái)、照明臂、反射/透射臂的角度可以是固定在某個(gè)角度，將該軸的起始角度和終止角度設(shè)成某一相同值即可。
(2) 設(shè)定光譜儀參數(shù)
(3) 點(diǎn)擊“全自動(dòng)測(cè)量”，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)各軸跑到起始角度，然后按照先進(jìn)行三級(jí)掃描——反射/透射臂（探測(cè)臂俯仰角）掃描，再進(jìn)行二級(jí)掃描——旋轉(zhuǎn)臺(tái)（探測(cè)方位角）掃描，最后進(jìn)行一級(jí)掃描——照明臂掃描的順序運(yùn)動(dòng)。
(4) 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)每跑到一個(gè)位置，需穩(wěn)定一段時(shí)間，然后光譜儀再進(jìn)行測(cè)量采集。
4. 數(shù)據(jù)保存
光譜儀的每一次測(cè)量都輸出的一組數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為兩列，第一列是波長(zhǎng)，第二列是與波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的反射/透射比。該數(shù)據(jù)保存為txt文件，文件名中包含測(cè)量序號(hào)以及三個(gè)角度信息如：“2.12.128_照明臂角度_探測(cè)臂方位角度_探測(cè)臂俯仰角度.txt”。其中，測(cè)量序號(hào)的格式為“一級(jí)掃描序號(hào).二級(jí)掃描序號(hào).三級(jí)掃描序號(hào)”，例如“2.12.128”的含義為照明臂第2個(gè)掃描位置. 旋轉(zhuǎn)臺(tái)第12個(gè)掃描位置. 探測(cè)臂第128個(gè)掃描位置。
五、功能與配置
1. 功能
各種材料可見(jiàn)光至近紅外雙向反射分布函數(shù)(雙向透射分布函數(shù))的自動(dòng)測(cè)量。
2. 配置
(1) 光譜儀：單通道
(2) 測(cè)量平臺(tái)：三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度
(3) 測(cè)量?jī)x與轉(zhuǎn)臺(tái)的接口軟件；
(4) 光譜測(cè)量軟件；
(5) 控制/測(cè)量計(jì)算機(jī)（為了便于測(cè)量，需配置1臺(tái)高性能筆記本電腦，用于測(cè)量數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)）
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