專利名稱：室內(nèi)全自動brdf測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光輻射測量裝置領(lǐng)域，具體為一種室內(nèi)全自動BRDF測量裝置。
背景技術(shù)：
自然界物體的反射大部分表現(xiàn)為非朗伯性，即目標的反射特性和波長及入射、 反射的幾何方向相關(guān)。測量物體的雙向反射分布函數(shù)(Bidirectional Reflectance Distribution Function)可以準確的描述物體的這種方向反射異性，BRDF反映了物體的本
質(zhì)屬性。BRDF的測量原理如圖1所示。光源照射物體，傳感器在空間各個方向觀測物體，處理各觀測方向的反射值，可以表征出物體的方向反射特性，并可以建立數(shù)學(xué)模型描述物體的BRDF特性。準確測量BRDF要求光源的發(fā)散角和傳感器的視場角盡可能的??；光源、傳感器的定位精度高；入射方向、觀測方向足夠多；測量過程中受環(huán)境影響的雜散光低。在遙感領(lǐng)域，隨著多角度及定量化遙感的發(fā)展，反演、表征目標的BRDF越來越重要。在室外環(huán)境下，由于受到太陽運動、天氣變化、天空漫射光的影響，BRDF觀測精度受到很大影響。室內(nèi)測量可以避免室外環(huán)境的影響，能夠有效地校驗遙感結(jié)果，促進遙感精度的提尚。在計算機圖形學(xué)領(lǐng)域，虛擬物體的真實感很大程度上取決于對物體反射特性模擬準確性。室內(nèi)測量BRDF具有環(huán)境控制容易、操作方便、精度高的優(yōu)勢，依據(jù)其測量結(jié)果描述物體的BRDF能夠顯著提高計算機處理圖形的真實感。傳統(tǒng)的室內(nèi)BRDF測量機構(gòu)由于操作機構(gòu)簡陋，存在著定位精度低、測量點少、測量周期長、光源準直性和均勻性差等缺陷，測量精度難以保證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種室內(nèi)全自動BRDF測量裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)室內(nèi)BRDF 測量機構(gòu)測量精度難以保證的問題。為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為
室內(nèi)全自動BRDF測量裝置，包括有水平設(shè)置的支撐平板，其特征在于所述支撐平臺上轉(zhuǎn)動安裝有具有中心通孔的水平轉(zhuǎn)臺，有臺面水平的樣品臺安裝在水平轉(zhuǎn)臺的中心通孔中，所述樣品臺、水平轉(zhuǎn)臺的中心豎直軸線重合，水平轉(zhuǎn)臺上安裝有豎直的鏡頭支架，所述鏡頭支架上安裝有沿水平方向伸向樣品臺上方的鏡頭轉(zhuǎn)臂，鏡頭轉(zhuǎn)臂位于樣品臺上方的臂端安裝有光譜儀鏡頭，光譜儀鏡頭的光軸始終指向所述樣品臺中心，所述支撐平臺上還安裝有架在水平轉(zhuǎn)臺上的半圓環(huán)形的光源導(dǎo)軌，所述光源導(dǎo)軌的圓心位于樣品臺面上，光源導(dǎo)軌上設(shè)置有在光源導(dǎo)軌上移動的人工光源，所述人工光源光軸始終指向樣品臺中心。所述的室內(nèi)全自動BRDF測量裝置，其特征在于所述人工光源包括燈座、與燈座連接的準直鏡筒，燈座中設(shè)置有積分球，所述積分球兩側(cè)中心位置安裝有彼此相互對稱的鹵鎢燈，燈座和準直鏡筒結(jié)合處開有通光孔，準直鏡筒中設(shè)置有孔徑可調(diào)光闌，準直鏡筒出光口處設(shè)置有準直鏡，所述孔徑可調(diào)光闌位置與準直鏡的焦平面重合，所述鹵鎢燈的出射光經(jīng)過積分球反射后從通光孔入射至準直鏡筒，經(jīng)過準直鏡筒中的孔徑可調(diào)光闌、準直鏡后從準直鏡筒出光口出射。所述的室內(nèi)全自動BRDF測量裝置，其特征在于所述積分球內(nèi)壁附著有聚四氟乙烯層。所述的室內(nèi)全自動BRDF測量裝置，其特征在于所述準直鏡為雙膠合準直鏡。所述的室內(nèi)全自動BRDF測量裝置，其特征在于所述水平轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動由電機驅(qū)動的渦輪蝸桿實現(xiàn)，水平轉(zhuǎn)臺與渦輪中心重合并固定為一體，電機驅(qū)動蝸桿帶動渦輪轉(zhuǎn)動，進而帶動水平轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動。所述的室內(nèi)全自動BRDF測量裝置，其特征在于所述鏡頭支架上安裝有可移動的鏡頭轉(zhuǎn)臂，光譜儀鏡頭固定在鏡頭轉(zhuǎn)臂上，鏡頭轉(zhuǎn)臂的移動由螺桿螺紋副實現(xiàn)，鏡頭支架整體的轉(zhuǎn)動由電機驅(qū)動的渦輪蝸桿轉(zhuǎn)動實現(xiàn)，鏡頭支架的轉(zhuǎn)軸與渦輪中心軸重合，鏡頭支架與渦輪固定為一體，渦輪的輪面與樣品臺臺面垂直，且渦輪的中心軸線與樣品臺中心豎直軸線相交，蝸桿的支撐部件固定在轉(zhuǎn)臺上，蝸桿與渦輪嚙合，所述電機通過蝸桿帶動渦輪轉(zhuǎn)動，渦輪帶動鏡頭轉(zhuǎn)臂、光譜儀鏡頭整體以渦輪的中心軸線為中心轉(zhuǎn)動，光譜儀鏡頭始終指向樣品臺中心。所述的室內(nèi)全自動BRDF測量裝置，其特征在于所述鏡頭轉(zhuǎn)臂在鏡頭支架上升降移動。所述的室內(nèi)全自動BRDF測量裝置，其特征在于所述光源導(dǎo)軌的導(dǎo)軌面成型為渦輪輪齒，人工光源固定在移動平臺上，移動平臺通過限位輪限制自身的運動沿導(dǎo)軌移動，移動平臺中安裝有可轉(zhuǎn)動的蝸桿，蝸桿與渦輪嚙合，所述電機驅(qū)動蝸桿轉(zhuǎn)動，通過蝸桿帶動移動平臺、人工光源在光源導(dǎo)軌上滑動。本發(fā)明BRDF測量裝置能夠有效提高定位精度，降低了測量周期，同時光源準直性和均勻性得以提高，進而有效地保證了測量精度。


圖1為BRDF的測量原理圖。圖2為本發(fā)明原理示意圖。圖3為本發(fā)明結(jié)構(gòu)正視圖。圖4為本發(fā)明結(jié)構(gòu)俯視圖。圖5為本發(fā)明結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。圖6為本發(fā)明光譜儀鏡頭原理圖。
具體實施例方式如圖2-圖5所示。室內(nèi)全自動BRDF測量裝置，包括支撐平板1、水平轉(zhuǎn)臺2、鏡頭支架3、光源導(dǎo)軌4、人工光源5、樣品臺6，水平轉(zhuǎn)臺2及光源導(dǎo)軌4固定在支撐平板1上， 鏡頭支架3固定在水平轉(zhuǎn)臺2上，樣品臺6固定在支撐平板1上位于水平轉(zhuǎn)臺2的中心通孔內(nèi)。鏡頭支架3轉(zhuǎn)動改變光譜儀鏡頭7觀測天頂角，水平轉(zhuǎn)臺2轉(zhuǎn)動改變光譜儀鏡頭7 的觀測方位角，人工光源5沿光源導(dǎo)軌4運動改變?nèi)肷涔馓祉斀?，上述三者的運動均由電機驅(qū)動，上位機輸入?yún)?shù)，控制箱全自動控制。人工光源5的光軸、光譜儀鏡頭7的光軸、水平轉(zhuǎn)臺2的轉(zhuǎn)軸始終相交于一點即樣品臺中心點，該點是裝置各部件運動的球心，也是放置樣品的中心。人工光源的光譜范圍為可見至短波紅外，人工光源發(fā)出的均勻準直光照射樣品，光譜儀鏡頭運動到空間各個方向觀測樣品的反射，獲得樣品的光譜反射空間分布特性。水平轉(zhuǎn)臺2為蝸輪蝸桿傳動，水平轉(zhuǎn)臺2具有中心通孔，樣品臺6穿過中心通孔固定在支撐平板1上，樣品放置的樣品臺6上，保證了樣品臺6及樣品不隨水平轉(zhuǎn)臺2轉(zhuǎn)動， 同時可以調(diào)整樣品的高度和方位，方便更換樣品。人工光源5由安裝在燈座503的積分球501，以及與燈座503連接的準直鏡筒502 構(gòu)成，采用鹵鎢燈照明，提供350-2500nm光譜波段的均勻、準直光；積分球501的內(nèi)壁材料為聚四氟乙烯，積分球501與準直鏡504相連接位置留有出光孔，積分球501兩側(cè)中心對稱孔安裝鹵鎢燈；準直鏡504為消色差的雙膠合鏡，準直鏡筒502內(nèi)安裝了孔徑可調(diào)光闌 505，孔徑可調(diào)光闌505位置與準直鏡504的焦平面重合，改變孔徑可調(diào)光闌505大小可以調(diào)節(jié)準直光的發(fā)散角、照射強度及照射面積。光源導(dǎo)軌4導(dǎo)軌面成型為渦輪輪齒狀，采用渦輪蝸桿傳動，渦輪固定，電機帶動安裝平臺9中的蝸桿轉(zhuǎn)動，進而使蝸桿、人工光源5沿渦輪移動，可以在任意天頂角方向照射樣品。鏡頭支架3固定在水平轉(zhuǎn)臺2上，隨水平轉(zhuǎn)臺2轉(zhuǎn)動改變觀測方位角；鏡頭支架3 采用渦輪蝸桿傳動，電機驅(qū)動，以渦輪軸線為中心轉(zhuǎn)動，可在任意天頂角觀測樣品；鏡頭支架3上連接有鏡頭轉(zhuǎn)臂8，鏡頭轉(zhuǎn)臂8上安裝光譜儀鏡頭7，鏡頭轉(zhuǎn)臂8的高度可調(diào)，可以改變對樣品的觀測面積。光譜儀鏡頭7采用兩片物鏡，視場內(nèi)目標經(jīng)物鏡一成像在場鏡二上， 物鏡一經(jīng)過場鏡二成像在光纖入端面上，即光纖束入端上的每一點接受整個視場范圍內(nèi)目標的反射，保證了光譜儀入射狹縫的均勻照明。支撐平板1下部安裝調(diào)整腳調(diào)節(jié)平板高度和水平，水平轉(zhuǎn)臺2、光源導(dǎo)軌4和樣品臺6直接固定在支撐平板1上，其中水平轉(zhuǎn)臺2具有中心通孔，樣品臺6穿過水平轉(zhuǎn)臺2的中心通孔固定在支撐平板1上，鏡頭支架3固定在水平轉(zhuǎn)臺2上。鏡頭支架轉(zhuǎn)動改變探測器觀測天頂角，水平轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動改變探測器的觀測方位角， 人工光源沿光源導(dǎo)軌運動改變?nèi)肷涔馓祉斀?，上述三者的運動均采用渦輪蝸桿傳動，電機驅(qū)動，控制箱輸入?yún)?shù)全自動控制。光源的光軸、鏡頭光軸、水平轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸始終相交于一點， 該點是裝置各部件運動的球心，也是放置樣品的中心。樣品臺的高度可調(diào)，針對不同的樣品，調(diào)節(jié)樣品的中心至裝置運動球心位置。積分球的內(nèi)壁材料為聚四氟乙烯，積分球兩側(cè)中心對稱孔安裝鹵鎢燈，積分球與準直鏡相連接位置留有出光孔。準直鏡為消色差的雙膠合鏡，準直鏡筒內(nèi)安裝了孔徑可調(diào)光闌，孔徑可調(diào)光闌位置與準直鏡的焦平面重合，改變光闌大小可以調(diào)節(jié)準直光的發(fā)散角、 照射強度及照射面積。該人工光源提供350-2500nm光譜波段的均勻準直光。人工光源偏置固定在光源導(dǎo)軌上，沿光源導(dǎo)軌運動，人工光源光軸始終照射在樣品中心，改變?nèi)斯す庠吹奈恢?，光源改變天頂角方向照射樣品。如圖6所示。圖中T為目標，L1S物鏡，L2S場鏡，I為光纖入光端面，a為視場角，b為前置光學(xué)系統(tǒng)出射角，D1為物鏡孔徑，D2為場鏡孔徑，D2為光斑直徑，a為物鏡場鏡間距，b為場鏡光纖端面間距。光譜儀鏡頭采用兩片物鏡設(shè)計，鏡頭的后端可以和光譜儀的入射光纖相連接，視場內(nèi)目標經(jīng)物鏡Ll成像在場鏡L2上，物鏡Ll經(jīng)過場鏡L2成像在光纖入端面上，即光纖束入端上的每一點接受整個視場范圍內(nèi)目標的反射，保證了光譜儀入射狹縫的均勻照明。室內(nèi)全自動BRDF測量裝置的上位機作為人機界面，可以輸入控制參數(shù)通過控制箱全自動控制光源、及觀測位置，實現(xiàn)空間的連續(xù)觀測，并實時顯示測量數(shù)據(jù)，存儲測量結(jié)果。
首先將測量樣品放置在樣品臺上，調(diào)節(jié)樣品臺的高度，保證樣品的中心處于測量裝置的運動球心，即保證人工光源光斑、觀測視場中心始終與樣品臺中心重合。室內(nèi)全自動BRDF測量裝置開機初始化，檢測并保證人工光源、水平轉(zhuǎn)臺、鏡頭支架均在初始零度位置。通過上位機將人工光源設(shè)置到待測方向位置點，測量樣品或參考板， 優(yōu)化光譜儀的積分時間。通過上位機的控制界面，設(shè)置觀測天頂角間隔、方位角間隔，觀測鏡頭定位在空間各個位置觀測樣品的反射，上位機實時顯示并存儲測量數(shù)據(jù)。當出現(xiàn)測量異常狀況時，可以緊急停止測量。測量完成后，人工光源、水平轉(zhuǎn)臺、鏡頭支架均回到初始零度位置。改變?nèi)斯す庠慈肷浞较蚧蚋鼡Q樣品測量重復(fù)上述步驟。處理測量數(shù)據(jù)得到樣品的 BRDF。
權(quán)利要求
1.室內(nèi)全自動BRDF測量裝置，包括有水平設(shè)置的支撐平板，其特征在于所述支撐平臺上轉(zhuǎn)動安裝有具有中心通孔的水平轉(zhuǎn)臺，有臺面水平的樣品臺安裝在水平轉(zhuǎn)臺的中心通孔中，所述樣品臺、水平轉(zhuǎn)臺的中心豎直軸線重合，水平轉(zhuǎn)臺上安裝有豎直的鏡頭支架，所述鏡頭支架上安裝有沿水平方向伸向樣品臺上方的鏡頭轉(zhuǎn)臂，鏡頭轉(zhuǎn)臂位于樣品臺上方的臂端安裝有光譜儀鏡頭，光譜儀鏡頭的光軸始終指向所述樣品臺中心，所述支撐平臺上還安裝有架在水平轉(zhuǎn)臺上的半圓環(huán)形的光源導(dǎo)軌，所述光源導(dǎo)軌的圓心位于樣品臺面上，光源導(dǎo)軌上設(shè)置有在光源導(dǎo)軌上移動的人工光源，所述人工光源光軸始終指向樣品臺中心。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的室內(nèi)全自動BRDF測量裝置，其特征在于所述人工光源包括燈座、與燈座連接的準直鏡筒，燈座中設(shè)置有積分球，所述積分球兩側(cè)中心位置安裝有彼此相互對稱的鹵鎢燈，燈座和準直鏡筒結(jié)合處開有通光孔，準直鏡筒中設(shè)置有孔徑可調(diào)光闌， 準直鏡筒出光口處設(shè)置有準直鏡，所述孔徑可調(diào)光闌位置與準直鏡的焦平面重合，所述鹵鎢燈的出射光經(jīng)過積分球反射后從通光孔入射至準直鏡筒，經(jīng)過準直鏡筒中的孔徑可調(diào)光闌、準直鏡后從準直鏡筒出光口出射。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的室內(nèi)全自動BRDF測量裝置，其特征在于所述積分球內(nèi)壁附著有聚四氟乙烯層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的室內(nèi)全自動BRDF測量裝置，其特征在于所述準直鏡為雙膠合準直鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的室內(nèi)全自動BRDF測量裝置，其特征在于所述水平轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動由電機驅(qū)動的渦輪蝸桿實現(xiàn)，水平轉(zhuǎn)臺與渦輪中心重合并固定為一體，電機驅(qū)動蝸桿帶動渦輪轉(zhuǎn)動，進而帶動水平轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的室內(nèi)全自動BRDF測量裝置，其特征在于所述鏡頭支架上安裝有可移動的鏡頭轉(zhuǎn)臂，光譜儀鏡頭固定在鏡頭轉(zhuǎn)臂上，鏡頭轉(zhuǎn)臂的移動由螺桿螺紋副實現(xiàn)，鏡頭支架整體的轉(zhuǎn)動由電機驅(qū)動的渦輪蝸桿轉(zhuǎn)動實現(xiàn)，鏡頭支架的轉(zhuǎn)軸與渦輪中心軸重合，鏡頭支架與渦輪固定為一體，渦輪的輪面與樣品臺臺面垂直，且渦輪的中心軸線與樣品臺中心豎直軸線相交，蝸桿的支撐部件固定在轉(zhuǎn)臺上，蝸桿與渦輪嚙合，所述電機通過蝸桿帶動渦輪轉(zhuǎn)動，渦輪帶動鏡頭轉(zhuǎn)臂、光譜儀鏡頭整體以渦輪的中心軸線為中心轉(zhuǎn)動，光譜儀鏡頭始終指向樣品臺中心。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的室內(nèi)全自動BRDF測量裝置，其特征在于所述鏡頭轉(zhuǎn)臂在鏡頭支架上升降移動。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的室內(nèi)全自動BRDF測量裝置，其特征在于所述光源導(dǎo)軌的導(dǎo)軌面成型為渦輪輪齒，人工光源固定在移動平臺上，移動平臺通過限位輪限制自身的運動沿導(dǎo)軌移動，移動平臺中安裝有可轉(zhuǎn)動的蝸桿，蝸桿與渦輪嚙合，所述電機驅(qū)動蝸桿轉(zhuǎn)動， 通過蝸桿帶動移動平臺、人工光源在光源導(dǎo)軌上滑動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種室內(nèi)全自動BRDF測量裝置，包括有支撐平板，支撐平臺上有水平轉(zhuǎn)臺，樣品臺安裝在水平轉(zhuǎn)臺的中心通孔中，水平轉(zhuǎn)臺上安裝有鏡頭支架，鏡頭支架上安裝有鏡頭轉(zhuǎn)臂，鏡頭轉(zhuǎn)臂臂端安裝有光譜儀鏡頭，光譜儀鏡頭的光軸始終指向所述樣品臺中心，支撐平臺上還安裝有光源導(dǎo)軌，光源導(dǎo)軌上設(shè)置有人工光源，人工光源光軸始終指向樣品臺中心。本發(fā)明BRDF測量裝置能夠有效提高定位精度，降低了測量周期，同時光源準直性和均勻性得以提高，進而有效地保證了測量精度。
文檔編號G01N21/47GK102323240SQ201110209229
公開日2012年1月18日 申請日期2011年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月25日
發(fā)明者徐駿, 戚濤, 李新, 袁銀麟, 鄭小兵 申請人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所