基于离轴抛物面反射镜的BRDF和BTDF测量系统

本发明属于brdf和btdf测量，特别涉及一种基于离轴抛物面反射镜的brdf和btdf测量系统。

背景技术：

1、随着遥感探测、精密光学测量、光刻等领域的飞速发展，对内部的光学系统提出了更高的要求，需要对系统内部光路的杂散光进行抑制，提高系统的性能。brdf描述了材料表面某一方向反射亮度与另一方向入射照度的比值，btdf描述了材料某一方向透射光亮度与另一方向入射照度的比值，两者能较好地表征光束到达元件后的光学反射特性和光学透射特性。brdf和btdf测量主要有角分辨率测量、总积分测量、成像测量等。

2、目前对于角分辨率式的brdf和btdf测量应用比较广泛，例如对于光源和探测器比较轻巧时，可以将光源和探测器固定在运动支架上，通过控制支架的运动实现光源和探测器在样品表面半球空间的运行范围。但对于连续波长下的brdf和btdf测量而言，光源较大，且需要经过单色仪选择波长，不便于将光源和单色仪安装在运动支架上。对于光源和探测器无法移动时也有一些实际案例，比如将光源和单色仪的出射光耦合到光纤内，光纤固定在运动支架上实现不同方向光束的入射，然后用光纤将反射光或者透射光传输到探测器处。但是当指定入射光方向后，样品表面在非镜反射方向的光能量比较弱，加上光纤对光能量的损耗很大，可能探测不到偏离镜反射方向的光束，探测范围受到限制。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明基于上述问题提出了一种基于离轴抛物面反射镜的brdf和btdf测量系统，在光源和探测器无法在空间任意移动时，优化光束方位角和天顶角的控制方法，设计合理的光路结构，降低系统杂散光对测量结果的影响，可以有效地通过离轴抛物面反射镜实现brdf和btdf的同时测量。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于离轴抛物面反射镜的brdf和btdf测量系统，包括离轴抛物面反射镜、平面反射镜、光束入射方向控制模块、反射光或者透射光的天顶角控制模块、反射光或透射光的方位角控制模块，所述离轴抛物面反射镜安装在旋转支架上，所述平面反射镜安装在旋转支架的斜面上，所述平面反射镜嵌在旋转管道内，所述旋转管道通过圆环导轨安装在结构支架上，所述旋转支架与旋转管道通过支架电机连接，样品固定在样品支架上由样品电机带动绕样品中心旋转，所述样品电机安装在样品电机支架上；所述样品电机带着样品旋转，改变入射光的天顶角；所述支架电机改变反射光或透射光的天顶角，所述圆环导轨改变反射光或透射光的方位角；所述光束入射方向控制模块包括样品电机；所述反射光或者透射光的天顶角控制模块包括支架电机；所述反射光或透射光的方位角控制模块包括圆环导轨。

4、进一步地，所述样品安装在样品支架的样品安装孔内，样品厚度与样品支架厚度一致。

5、进一步地，所述旋转管道包括两个侧梁和一个主梁，在主梁中心的端面有一通孔便于旋转管道内部的光束通过圆环导轨和结构支架上的孔传输到外部的探测器，在一个侧梁有通孔便于与旋转支架和支架电机配合，另一侧梁设置内侧孔便于光束进入旋转管道内。

6、进一步地，所述离轴抛物面反射镜固定安装在旋转支架上且轴线穿过样品中心，其焦点位于样品中心。

7、进一步地，所述旋转管道的侧梁的长度大于旋转支架的回转半径，保证离轴抛物面反射镜在对准样品的前表面和后表面时不发生碰撞。

8、进一步地，所述样品电机和支架电机以及圆环导轨的轴线均通过样品中心。

9、进一步地，所述离轴抛物面反射镜和平面反射镜的光学面镀金，提高反射率。

10、进一步地，所述平面反射镜包括第一内嵌平面反射镜、第二内嵌平面反射镜、第三内嵌平面反射镜，均嵌在旋转管道内，第一内嵌平面反射镜安装在旋转管道侧梁的内侧孔处，与旋转支架斜面上的平面反射镜的镜面相对，第二内嵌平面反射镜安装在旋转管道的90°转角处，第三内嵌平面反射镜安装在旋转管道的主梁中心的端面的通孔处，与第二内嵌平面反射镜的镜面相对。

11、进一步地，所述旋转管道的主梁中心的端面的通孔与圆环导轨的孔、结构支架的孔同轴，便于旋转管道内部的光束通过这三个孔传输到外部的探测器上。

12、进一步地，所述旋转支架的一个侧梁的通孔与旋转管道侧梁上的通孔同轴。

13、进一步地，所述电机和圆环导轨的步距角要求尽量小，提高brdf和btdf测量的空间分辨率。

14、进一步地，所述的所有支架和旋转部件的宽度尺寸要尽量小，扩大brdf和btdf的空间测量范围。

15、进一步地，所述光束入射方向控制模块还包括所述样品电机支架和样品支架，改变入射光在样品表面的入射光天顶角。

16、进一步地，所述反射光或者透射光的天顶角控制模块还包括所述旋转支架和离轴抛物面反射镜，所述支架电机使旋转支架以支架电机轴线做圆周运动，离轴抛物面反射镜的轴线与样品表面法线的角度发生变化，以改变反射光或透射光的天顶角。

17、进一步地，所述方位角控制模块还包括旋转管道、第一内嵌平面反射镜、第二内嵌平面反射镜、第三内嵌平面反射镜，所述圆环导轨带动旋转管道和旋转支架一起绕圆环导轨的轴线做圆周运动，离轴抛物面反射镜位于样品的不同方位，以改变反射光和透射光的方位角。

18、本发明的有益效果：

19、本发明适用于在光源和探测器无法在空间任意移动时，优化光束方位角和天顶角的控制方法，设计合理的光路结构，降低系统杂散光对测量结果的影响，可以有效地通过离轴抛物面反射镜实现brdf和btdf的同时测量。

20、本发明的光束的天顶角和方位角都是独立控制的，没有复杂的运动耦合，设计合理的转角结构，通过电机和圆环导轨实现对样品的brdf和btdf的同时测量；其中采用离轴抛物面反射镜和多个平面反射镜将样品的反射光和透射光传输到探测器光敏面上，并且平面反射镜嵌在旋转部件内，降低了测量系统杂散光对测量结果的影响，提高brdf和btdf的测量精度。

技术特征：

1.一种基于离轴抛物面反射镜的brdf和btdf测量系统，其特征在于：包括离轴抛物面反射镜、平面反射镜、光束入射方向控制模块、反射光或者透射光的天顶角控制模块、反射光或透射光的方位角控制模块，所述离轴抛物面反射镜安装在旋转支架上，所述平面反射镜安装在旋转支架的斜面上，所述平面反射镜嵌在旋转管道内，所述旋转管道通过圆环导轨安装在结构支架上，所述旋转支架与旋转管道通过支架电机连接，样品固定在样品支架上由样品电机带动绕样品中心旋转，所述样品电机安装在样品电机支架上；所述样品电机带着样品旋转，改变入射光的天顶角；所述支架电机改变反射光或透射光的天顶角，所述圆环导轨改变反射光或透射光的方位角；所述光束入射方向控制模块包括样品电机；所述反射光或者透射光的天顶角控制模块包括支架电机；所述反射光或透射光的方位角控制模块包括圆环导轨。

2.根据权利要求1所述的一种基于离轴抛物面反射镜的brdf和btdf测量系统，其特征在于：所述样品安装在样品支架的样品安装孔内，样品厚度与样品支架厚度一致。

3.根据权利要求1所述的一种基于离轴抛物面反射镜的brdf和btdf测量系统，其特征在于：所述旋转管道包括两个侧梁和一个主梁，在主梁中心的端面有一通孔便于旋转管道内部的光束通过圆环导轨和结构支架上的孔传输到外部的探测器，在一个侧梁有通孔便于与旋转支架和支架电机配合，另一侧梁设置内侧孔便于光束进入旋转管道内。

4.根据权利要求1所述的一种基于离轴抛物面反射镜的brdf和btdf测量系统，其特征在于：所述离轴抛物面反射镜固定安装在旋转支架上且轴线穿过样品中心，其焦点位于样品中心。

5.根据权利要求3所述的一种基于离轴抛物面反射镜的brdf和btdf测量系统，其特征在于：所述旋转管道的侧梁的长度大于旋转支架的回转半径，保证离轴抛物面反射镜在对准样品的前表面和后表面时不发生碰撞。

6.根据权利要求1所述的一种基于离轴抛物面反射镜的brdf和btdf测量系统，其特征在于：所述样品电机和支架电机以及圆环导轨的轴线均通过样品中心。

7.根据权利要求1所述的一种基于离轴抛物面反射镜的brdf和btdf测量系统，其特征在于：所述离轴抛物面反射镜和平面反射镜的光学面镀金，提高反射率。

8.根据权利要求3所述的一种基于离轴抛物面反射镜的brdf和btdf测量系统，其特征在于：所述平面反射镜包括第一内嵌平面反射镜、第二内嵌平面反射镜、第三内嵌平面反射镜，均嵌在旋转管道内，第一内嵌平面反射镜安装在旋转管道侧梁的内侧孔处，与旋转支架斜面上的平面反射镜的镜面相对，第二内嵌平面反射镜安装在旋转管道的90°转角处，第三内嵌平面反射镜安装在旋转管道的主梁中心的端面的通孔处，与第二内嵌平面反射镜的镜面相对。

9.根据权利要求3所述的一种基于离轴抛物面反射镜的brdf和btdf测量系统，其特征在于：所述旋转管道的主梁中心的端面的通孔与圆环导轨的孔、结构支架的孔同轴，便于旋转管道内部的光束通过这三个孔传输到外部的探测器上。

10.根据权利要求8所述的一种基于离轴抛物面反射镜的brdf和btdf测量系统，其特征在于：所述旋转支架的一个侧梁的通孔与旋转管道侧梁上的通孔同轴。

11.根据权利要求1所述的一种基于离轴抛物面反射镜的brdf和btdf测量系统，其特征在于：所述光束入射方向控制模块还包括所述样品电机支架和样品支架，改变入射光在样品表面的入射光天顶角。

12.根据权利要求1所述的一种基于离轴抛物面反射镜的brdf和btdf测量系统，其特征在于：所述反射光或者透射光的天顶角控制模块还包括所述旋转支架和离轴抛物面反射镜，所述支架电机使旋转支架以支架电机轴线做圆周运动，离轴抛物面反射镜的轴线与样品表面法线的角度发生变化，以改变反射光或透射光的天顶角。

13.根据权利要求1所述的一种基于离轴抛物面反射镜的brdf和btdf测量系统，其特征在于：所述方位角控制模块还包括旋转管道、第一内嵌平面反射镜、第二内嵌平面反射镜、第三内嵌平面反射镜，所述圆环导轨带动旋转管道和旋转支架一起绕圆环导轨的轴线做圆周运动，离轴抛物面反射镜位于样品的不同方位，以改变反射光和透射光的方位角。

技术总结
本发明公开了一种基于离轴抛物面反射镜的BRDF和BTDF测量系统，属于BRDF和BTDF测量技术领域，包括离轴抛物面反射镜和平面反射镜以及运动控制模块，所述离轴抛物面反射镜的焦点在样品中心，所述运动控制模块包括入射光天顶角控制模块、反射光或透射光天顶角和方位角控制模块，所述样品电机改变入射光的天顶角，所述支架电机改变反射光或透射光的天顶角，所述圆环导轨改变反射光或透射光的方位角；本发明在光源和探测器无法在空间任意移动时，优化光束方位角和天顶角的控制方法，设计合理的光路结构，降低系统杂散光对测量结果的影响，可以有效地通过离轴抛物面反射镜实现BRDF和BTDF的同时测量。

技术研发人员：任栖锋,黄宝锐,彭勃,赵旭龙,李素钧,谷牧,韩维强,廖胜
受保护的技术使用者：中国科学院光电技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11