一種大動(dòng)態(tài)范圍全方位樣品brdf測(cè)量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及樣品激光散射特性技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種大動(dòng)態(tài)范圍全方位樣品BRDF 測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 光是一種電磁波，光散射現(xiàn)象是由于入射電磁波與介質(zhì)中的粒子相互作用的結(jié) 果。散射場(chǎng)反映著物質(zhì)的屬性、幾何形狀、表面及內(nèi)部缺陷的位置、大小、形狀等特征，光散 射測(cè)量可以獲取樣品空間光散射的直接數(shù)據(jù)，通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析反演，還可以了解物 質(zhì)的本質(zhì)屬性。同時(shí)激光散射測(cè)量具有適應(yīng)性廣、測(cè)量范圍寬、測(cè)量準(zhǔn)確迅速、重復(fù)性好、能 實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用已經(jīng)在半導(dǎo)體工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、航空航天、天文探測(cè)、大氣環(huán) 境、軍事偵察、地質(zhì)地理等領(lǐng)域有了長(zhǎng)足的發(fā)展。
[0003] 目前空間散射測(cè)量裝置主要分為積分散射裝置和角分辨散射（也稱為雙向反射 分布函數(shù)BRDF)測(cè)量裝置。BRDF的定義是由Nicodemus在1970年正式提出的。它是光輻 射的反射輻射亮度和入射輻照度的比值，是描述材料表面漫反射特性的具有唯一確定性的 函數(shù)。
[0004] 要完整地測(cè)量BRDF，實(shí)際上要求測(cè)量裝置具有如下三個(gè)主要功能：
[0005] 功能一：需要入射光源和探測(cè)器均能在半球面上靈活方便地運(yùn)動(dòng)，即方便控制入 射光束和探測(cè)器的天頂角和方位角度；
[0006] 功能二：需要探測(cè)器具有大的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍，目前還沒有一種探測(cè)器能夠覆蓋這 么寬的探測(cè)范圍。因?yàn)闃悠凡煌?，BRDF的測(cè)量范圍不同，即使是同一樣品其各個(gè)方向的散 射光強(qiáng)可能會(huì)相差數(shù)個(gè)甚至十多個(gè)數(shù)量級(jí)，如靠近鏡面反射方向和遠(yuǎn)離鏡面反射方向的光 強(qiáng)其值相差很大；
[0007] 功能三：由于散射光可能極其微弱，測(cè)量裝置應(yīng)具有從強(qiáng)噪聲背景下提取微弱信 號(hào)的功能；
[0008] 對(duì)于功能一，現(xiàn)有的BRDF測(cè)量裝置，一般實(shí)現(xiàn)了部分功能，如有的裝置光源運(yùn)動(dòng) 能滿足要求，探測(cè)器只能在沿一維弧線軌跡運(yùn)動(dòng)；或者光源固定，只設(shè)計(jì)了探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)； 或只闡述了要這樣運(yùn)動(dòng)，并沒有給出可實(shí)現(xiàn)的具體方案，或沒有實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)位置的準(zhǔn)確計(jì) 量；
[0009] 對(duì)于功能二，現(xiàn)有裝置一般只設(shè)計(jì)了單一的探測(cè)器，單一探測(cè)器的靈敏度是有限 的，其探測(cè)極限也有限，一般難以實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量；
[0010] 對(duì)于功能三，現(xiàn)有裝置很少給出完善的設(shè)計(jì)方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的是提供一種大動(dòng)態(tài)范圍全方位樣品BRDF測(cè)量裝置，其可準(zhǔn)確計(jì)量 全方位掃描的BRDF測(cè)量裝置，并能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)噪聲背景下高精度大動(dòng)態(tài)范圍的BRDF測(cè)量，如果 在探測(cè)軌道上安裝多個(gè)探測(cè)器則可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同步快速掃描測(cè)量。
[0012] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種大動(dòng)態(tài)范圍全方位樣品 BRDF測(cè)量裝置，包括光學(xué)平板和控制組件，所述光學(xué)平板上設(shè)置有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及光學(xué)測(cè)量組 件，其特征在于：所述運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及光學(xué)測(cè)量組件包括樣品臺(tái)、樣品、光源軌道、探測(cè)器軌道， 所述的樣品設(shè)置于樣品臺(tái)1上，并可實(shí)現(xiàn)二維平移和360度旋轉(zhuǎn)，所述的光源軌道和探測(cè) 器軌道為同心的半圓弧軌道，其兩端對(duì)稱通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸一和轉(zhuǎn)動(dòng)軸二設(shè)置于光學(xué)平板的支架 上，兩軌道同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸一、轉(zhuǎn)動(dòng)軸二及樣品中心在一條直線上，所述的光源軌道的頂 部中心連接有轉(zhuǎn)動(dòng)的直線拉桿一、探測(cè)器軌道的頂部中心連接有轉(zhuǎn)動(dòng)的直線拉桿二、所述 的直線拉桿一通過滑塊一滑動(dòng)連接于直線導(dǎo)軌一上，所述的直線拉桿二通過滑塊二滑動(dòng)連 接于直線導(dǎo)軌二上；
[0013] 所述探測(cè)器軌道上設(shè)置有探測(cè)器模塊，探測(cè)器模塊由光電二極管和光電倍增管組 成，兩探測(cè)器緊靠在一起并安裝在探測(cè)器軌道上，兩探測(cè)器的光敏面位于同一水平面，其光 敏面連線與半圓弧轉(zhuǎn)軸垂直，所述探測(cè)器模塊前端設(shè)置有導(dǎo)光管，導(dǎo)光管對(duì)準(zhǔn)樣品中心；
[0014] 所述光源軌道上設(shè)置有半導(dǎo)體激光器，半導(dǎo)體激光器的出光光軸沿光源軌道的徑 向并指向樣品中心，半導(dǎo)體激光器的前端設(shè)置有透鏡；
[0015] 所述控制組件包括調(diào)制驅(qū)動(dòng)模塊、雙鎖相放大控制模塊、電機(jī)控制模塊、數(shù)據(jù)采集 模塊和計(jì)算機(jī)，所述的雙鎖相放大控制模塊依次與數(shù)據(jù)采集模塊、計(jì)算機(jī)和調(diào)制驅(qū)動(dòng)模塊 連接，計(jì)算機(jī)與電機(jī)控制模塊連接；所述的電機(jī)控制模塊分別與直線導(dǎo)軌一和直線導(dǎo)軌二 連接，所述的電機(jī)控制模塊還與樣品臺(tái)連接；所述的調(diào)制驅(qū)動(dòng)模塊與半導(dǎo)體激光器連接，所 述的雙鎖相放大控制模塊與探測(cè)器模塊連接。
[0016] 所述的直線導(dǎo)軌一和直線導(dǎo)軌二對(duì)稱設(shè)置于樣品臺(tái)的兩側(cè)，兩直線導(dǎo)軌中心線垂 直于半圓弧軌道的轉(zhuǎn)動(dòng)軸。
[0017] 所述的探測(cè)器軌道的半徑與光源軌道的半徑不同。
[0018] 所述的探測(cè)器軌道、光源軌道、直線導(dǎo)軌一和直線導(dǎo)軌二上分別設(shè)置有刻度。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下：
[0020] 1、能方便地控制入射光束和探測(cè)器的天頂角和方位角，并能進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算；當(dāng) 樣品旋轉(zhuǎn)180度時(shí)，若入射光束方向不變，相當(dāng)于入射天頂角從正值變?yōu)閷?duì)稱的負(fù)值，從而 實(shí)現(xiàn)入射角半球內(nèi)的全方位改變。
[0021] 2、雙探測(cè)器分段工作，當(dāng)輻射光較強(qiáng)時(shí)用光電二極管探測(cè)，輻射光較弱時(shí)改用光 電倍增管探測(cè)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)判斷和切換工作探測(cè)器，使裝置具有大的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍，克服了 使用單一探測(cè)器導(dǎo)致的探測(cè)范圍窄或易損壞探測(cè)器的缺陷。
[0022] 3、利用半導(dǎo)體激光器作為光源，用計(jì)算機(jī)編程發(fā)出調(diào)制信號(hào)，結(jié)合鎖相放大器的 相關(guān)檢測(cè)去噪功能，使裝置具有從強(qiáng)噪聲背景下提取微弱信號(hào)的功能。
[0023] 4、在探測(cè)器端安裝導(dǎo)光管及窄帶濾光片，避免了雜散光進(jìn)入探測(cè)器造成測(cè)量飽和 極大減少了噪聲誤差。
[0024] 5、可以在半圓弧軌道上同時(shí)布滿多個(gè)探測(cè)器，一次掃描可以完成半球空間的一半 空間位置的掃描測(cè)量，極大地提高測(cè)量效率，同時(shí)便于計(jì)算方位角和天頂角，即可實(shí)現(xiàn)樣品 空間激光散射的快速準(zhǔn)確測(cè)量，測(cè)試方便、操作簡(jiǎn)便。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖2是方位角和天頂角計(jì)算不意圖。
[0027] 其中，1 -樣品臺(tái)、2-樣品、3-光源軌道、4-探測(cè)器軌道、5-1轉(zhuǎn)軸一、5-2轉(zhuǎn)軸二、 6-探測(cè)器模塊、7-半導(dǎo)體激光器、8-1滑塊一、8-2滑塊二、9-1-直線拉桿一、9-2-直線拉桿 二、10-1直線導(dǎo)軌一、10-2直線導(dǎo)軌二、11-導(dǎo)光管、12-調(diào)制驅(qū)動(dòng)模塊、13-雙鎖相放大控制 模塊、14-電機(jī)控制模塊、15-同步數(shù)據(jù)采集模塊、16-計(jì)算機(jī)、17-光學(xué)平板、18-支架。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖對(duì)本設(shè)計(jì)做詳細(xì)描述：
[0029] 參見圖1 :一種大動(dòng)態(tài)范圍全方位樣品BRDF測(cè)量裝置，包括光學(xué)平板17、計(jì)算機(jī) 16和控制組件，所述光學(xué)平板17上設(shè)置有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及光學(xué)測(cè)量組件；
[0030] 所述運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及光學(xué)測(cè)量組件包括樣品臺(tái)1、樣品2、光源軌道3、探測(cè)器軌道4， 所述光源軌道3、探測(cè)器軌道4是同心半圓弧軌道，兩端對(duì)稱設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)軸一 5-1和轉(zhuǎn)動(dòng)軸二 5-2,轉(zhuǎn)動(dòng)軸一 5-1和轉(zhuǎn)動(dòng)軸二5-2設(shè)置于光學(xué)平板17的支架18上，兩軌道同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn) 動(dòng)軸一 5-1和轉(zhuǎn)動(dòng)軸二5-2中心及樣品中心在同一直線上，光源軌道3的頂部中心連接有 一可轉(zhuǎn)動(dòng)的直線拉桿一 9-1、探測(cè)器軌道4的頂部中心連接有一可轉(zhuǎn)動(dòng)的直線拉桿二9-2、 兩拉桿的另一端分別位于可作直線運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌一 10-1及導(dǎo)軌二10-2內(nèi)，兩拉桿可以在電 機(jī)的驅(qū)動(dòng)下分別由滑塊一 8-1和滑塊二8-2帶動(dòng)在直線軌道一 10-1及直線軌道二10-2內(nèi) 運(yùn)動(dòng)。直線導(dǎo)軌一 10-1及直線導(dǎo)軌二10-2對(duì)稱安裝在樣品平面的兩側(cè)，其兩直線導(dǎo)軌中 心線垂直于半圓弧軌道的轉(zhuǎn)動(dòng)軸。
[0031] 所述探測(cè)器軌道4的半徑與光源軌道3的半徑尺寸不相同，探測(cè)器軌道4上設(shè)置 有探測(cè)器模塊6，探測(cè)器模塊6由光電二極管和光電倍增管組成，光電二極管和光電倍增管 緊靠在一起并安裝在探測(cè)器軌道4上，兩探測(cè)器的光敏面位于同一平面，其光敏面連線與 半圓弧轉(zhuǎn)軸垂直。所述探測(cè)器模塊6前端安裝有導(dǎo)光管11，導(dǎo)光管11對(duì)準(zhǔn)樣品中心。
[0032] 所述光源軌道3上安裝有半導(dǎo)體激光器7,半導(dǎo)體激光器7的出光光軸沿光源軌道 3的徑向并指向樣品中心，在半導(dǎo)體激光器7的前端安裝有透鏡，可以調(diào)節(jié)光斑大小。
[0033] 所述控制組件包括調(diào)制驅(qū)動(dòng)模塊12、雙鎖相放大控制模塊13、電機(jī)控制模塊14、 數(shù)據(jù)采集模塊15、計(jì)算機(jī)16,所述的雙鎖相放大控制模塊13依次與數(shù)據(jù)采集模塊15、計(jì)算 機(jī)16和調(diào)制