專利名稱：一種測量散射光空間分布的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于光學檢測技術領域，特別涉及用于農業信息檢測及用于計算機真實感圖形顯示的相關技術的一種測量散射光空間分布的方法和裝置。
背景技術：
物體表面的散射光分布通常用雙向反射分布函數(BRDF)和雙向透射分布函數(BTDF)來分別描述反射光的散射分布和透射光的散射分布。BRDF(或BTDF)的值是由入射光波長(W)、入射光的方向(極角θi，方位角φi)，反射光方向(極角θr，方位角φr)(或透射光方向(極角θt，方位角φt))這五個變量來確定的。因此，BRDF(或BTDF)的測定是一項非常復雜的工作。直到20世紀80年代末，才出現完整的BRDF測量系統。
現有的物體表面散射光分布測量方法可以歸納為兩大類主要有兩類測定方法，它們的主要區別在于分布光強的檢測方法不同。一類是直接測量方法，用獨立的硅光電檢測器檢測光強，通過硅光電檢測器與被測物體二維的相對運動，測定物體反射或透射光強的分布。另一類是間接的基于圖像處理的測量方法，將物體的反射分布光強通過一個半球面鏡反射成像，由CCD照相機采集，經過數據處理技術計算出反射分布。
Murry-Coleman等設計的測量系統是一套典型的直接測量系統。該系統采用白熾燈作為光源，用光纖傳送光源發出的光到特定的可進行一維旋轉運動的光源發射管。樣品臺也可作一維旋轉運動，它與光源發射管的旋轉方向相互垂直。這兩個方向的旋轉用于實現入射光相對于被測物體的方向的調整。檢測器采用硅光電二極管，系統使用了兩個檢測器分別測定反射和透射光強。檢測器可以做正交的二維旋轉運動，用于改變反射和透射光的檢測方向。
Gregory J.Ward等設計的測量系統是一套典型的基于圖像處理技術的間接測量系統。半球面反射鏡、凸透鏡和CCD攝像機是該系統檢測反射分布光強的主要光學器件。從物體表面反射的各個方向光被半球面反射鏡反射到安裝在CCD攝像機前面的凸透鏡成像，由CCD攝像機采集后，送到計算機進行圖像處理，計算出BRDF的值。該系統的最大特點是通過對反射分布光的成像，可以同時得到各個角度分布的反射光強。該系統的入射光方向的調整和第一類系統一樣是通過光源的一維旋轉運動和樣品在另一個正交方向的一維旋轉運動實現的。
現有的這兩類測定方法，只能測定散射光的強度，而不能同時測定入射光的強度。因此，它們需要測定一個BRDF已知的標準物體進行標定，并假定在標準物體和被測物體的測量過程中，入射光的強度始終保持穩定不變。
第一類方法，采用專用的光電傳感器檢測散射光強，檢測器的響應波段區間寬，檢測靈敏度高。因此，研究人員通常用這類測量系統測量葉片的BRDF和BTDF。但是，由于這類系統需要通過檢測器在物體表面的反射半球和透射半球的二維角度掃描采集散射光的分布光強，掃描時間長，容易受光源強度波動的影響，重復性較差。
第二類方法，由于采用圖像采集方式獲得散射光強，不需要角度掃描的過程，測量時間短。光強的變化對其測量結果的影響小，測定結果比較穩定。但是，用于圖像采集的CCD陣列的波長相應區間只在可見光范圍內，感光靈敏度也較低。因此，只能用于反射光較強的可見光的散射分布。因此，這類系統主要用于金屬、陶瓷等在可見光區幾乎沒有選擇吸收的物體表面的BRDF，應用于計算機真實感圖形的繪制。而對于一些對某些波段具有強選擇性吸收的樣品，如葉片在可見光的藍光、紅光波段吸收很強，則無法測出這些樣品在這些波段的反射光強分布。
由以上所述本發明所要解決的問題主要是以下四個方面1.系統應達到足夠高的測量靈敏度，以測定如葉片這類具有選擇吸收物體的反射和透射光強分布。2.系統的可測試的波段范圍寬并且波長分辨率高。3.系統的重復性誤差應小于散射光分布標準差。4.一次測量應該控制在較短的時間內完成。
發明內容
本發明的目的是提供用于農業信息檢測及用于計算機真實感圖形顯示的相關技術的一種測量散射光空間分布的方法和裝置，其特征在于所述散射光測量裝置由光源組件、樣品架、滑軌、檢測陣列滑塊、控制及傳動柜組成。在控制及傳動柜5的臺面上中部由樣品架支柱9支持滑軌1和檢測陣列滑塊2，樣品架的U型托架3固定在樣品架支柱9的頂端，樣品環6由樣品環轉動手柄7和樣品環固定鈕8支持在樣品架的U型托架3的U字開口端；左邊光源組件4由光源組件立柱10固定在臺面上。
所述滑軌1是一個圓形軌道，其上刻有相對于圓心的角度刻度，最小分辨為一度，檢測陣列滑塊2能在其上平穩無間隙滑動，并能讀出滑動的角度。
所述檢測陣列滑塊2上裝有等間距的多個光電檢測器11，每個檢測器的中心法線都指向樣品環的中心；光電檢測器11焊接在弧形線路板上，安裝在檢測陣列滑塊2靠圓心的一側。檢測陣列滑塊2與滑軌1的固定靠一個定位螺釘12固定。
所述控制及傳動柜5由軸承、傳動齒輪、步進電機、電源、電控板組成。電源提供220V到低壓直流電的轉換，給整個系統供電。電控板主要完成與上位PC機的通訊、控制兩個步進電機的運動、控制光源的開關、檢測光源強度、采集檢測陣列上的光電信號等功能。兩個步進電機分別控制樣品架組件和滑軌的旋轉所述光源組件4由光源架4.1、光源4.2、分光鏡4.3、光源檢測器4.4、光闌4.5組成，其分光鏡用于將出射光的微小部分反射到光源檢測器4.4上，監測光源強度的變化；光闌4.5用于調節出射光的光斑大小。
所述光源為常見的圓柱形微功率半導體激光器，或者是光纖引入的其它光源，其光束為直徑不大于2mm的平行光，出光方向可以通過光源架上的螺釘作微小調節。
所述測量散射光空間分布的方法是1)薄形樣品放置在由鐵材料加工的樣品環上，以一片環形薄片磁鐵夾住樣品，樣品環轉動手柄用于改變樣品的傾斜角度，其上刻有轉動的度數指示。樣品環調節樣品到需要的傾斜角度后，擰緊樣品環固定鈕固定樣品環，使其相對U形托架固定。樣品架在可以進行水平和垂直兩個方向獨立旋轉。通過樣品架帶動被測樣品的二維正交方向的轉動，使得系統不需要移動光源，而實現入射光方向(θi，φi)的調整。由于不需要移動光源，系統的穩定性較好。2)對光源出發的光由分光鏡4.3進行分束處理后分為兩束光，其中分出的一束微弱的光由光源檢測器4.4檢測其光強。另一束光作為被測樣品的入射光射向樣品表面。3)散射光強由排列在1/4圓弧的檢測陣列滑塊上的光電檢測器檢測，整個滑塊安裝在一個圓弧形的導軌上，并可以在1/2圓弧的導軌上滑動。導軌帶動檢測陣列滑塊可以繞被測樣品旋轉360度。通過檢測陣列滑塊上的排列的多個檢測器，可以并行檢測多個方向的散射光強。通過滑塊沿導軌的滑動，可以改變散射光檢測角的極角(θr或θt)。通過導軌帶動檢測陣列滑塊繞被測樣品的旋轉，可以改變散射光檢測角的方位角(φr或φt)。
本發明的有益效果是該測量方法用激光二極管作為光源，可以保證足夠的光源強度和波長準確度。采用硅光電池作為檢測器，可見光和短波近紅外光波段具有較高的檢測靈敏度。對光源發射光引出一路參考光進行檢測，保證在檢測散射光強的同時，能夠實時檢測入射光的強度，從而提高系統測定結果的穩定性。使用檢測陣滑塊沿著弧形導軌的滑動和轉動的方法檢測散射光強，可以減少系統測量時間，提高系統的測量精度。
光源與發射光管的組件式結構，使得該系統的測定更加靈活，可以根據測定項目需要，方便地更換不同波長的激光二級管；發射光管采用雙光束分光設計，實現了對光源強度和散射光強的同時測定，避免了光源強度的變化對于BRDF/BTDF測定值的影響。
通過樣品臺的旋轉，改變入射角，避免了發射光管的旋轉運動，增強系統的可靠性。
多個檢測器排列在一個圓弧上，避免了檢測器在垂直方向的旋轉。既縮短BRDF/BTDF測定時間，又增加了系統的可靠性。
因此系統可以在較短時間內，精確地測定植物葉片等樣品物體在選擇吸收波長下的BRDF/BTDF測定值。
圖1為系統總體結構示意圖。
圖2為樣品架組件結構示意圖。
圖3為光源組件結構示意圖。
具體實施例方式
本發明提供用于農業信息檢測及用于計算機真實感圖形顯示的相關技術的一種測量散射光空間分布的方法和裝置。在圖1和圖2所示的系統總體結構示意圖中，其散射光測量裝置由光源組件、樣品架、滑軌、檢測陣列滑塊、控制及傳動柜組成。在控制及傳動柜5的臺面上中部由樣品架支柱9支持滑軌1和檢測陣列滑塊2，樣品架的U型托架3固定在樣品架支柱9的頂端，樣品環6由樣品環轉動手柄7和樣品環固定鈕8支持在樣品架的U型托架3的U字開口端；左邊光源組件4由光源組件立柱10固定在臺面上。滑軌1是一個圓形軌道，其上刻有相對于圓心的角度刻度，最小分辨為一度。檢測陣列滑塊2能在其上平穩無間隙滑動，并能讀出滑動的角度。檢測陣列滑塊2與滑軌1的固定靠一個定位螺釘12固定。在檢測陣列滑塊2上裝有等間距的多個光電檢測器11，每個檢測器的中心法線都指向樣品環的中心。檢測陣列滑塊2焊接在弧形線路板上，安裝在弧形的檢測陣列滑塊2靠圓心的一側。
上述控制及傳動柜5由軸承、傳動齒輪、步進電機、電源、電控板組成。電源提供220V到低壓直流電的轉換，給整個系統供電。電控板主要完成與上位PC機的通訊、控制兩個步進電機的運動、控制光源的開關、檢測光源強度、采集檢測陣列上的光電信號等功能。兩個步進電機分別控制樣品架組件和滑軌的旋轉圖3所示的光源組件4由光源架4.1、光源4.2、分光鏡4.3、光源檢測器4.4、光闌4.5組成，其分光鏡4.3用于將出射光的微小部分反射到光源檢測器上，監測光源強度的變化；光闌用于調節出射光的光斑大小。
所述光源為常見的圓柱形微功率半導體激光器，或者是光纖引入的其它光源，其光束為直徑不大于2mm的平行光，出光方向可以通過光源架上的螺釘作微小調節。
所述測量散射光空間分布的方法是1)薄形樣品放置在由鐵材料加工的樣品環上，以一片環形薄片磁鐵夾住樣品，樣品環轉動手柄用于改變樣品的傾斜角度，其上刻有轉動的度數指示。樣品環調節樣品到需要的傾斜角度后，擰緊樣品環固定鈕固定樣品環，使其相對U形托架固定。樣品架在可以進行水平和垂直兩個方向獨立旋轉。樣品架安裝在整個測量裝置的中心位置，其中樣品環的中心位置與光源的光軸在同一條水平線上，初始的檢測器陣列正中間的那個檢測器的中心位置也與光源的光軸在同一條水平線上。通過樣品架帶動被測樣品的二維正交方向的轉動，使得系統不需要移動光源，而實現入射光方向(θi，φi)的調整。由于不需要移動光源，系統的穩定性較好。2)對光源出發的光進行分束處理后分為兩束光，其中由分光鏡4.3分出的一束微弱的光由一個光電檢測器檢測其光強的一束的光強占總光源強度的光強千分之一，并由一個光電檢測器檢測其光強。另一束光作為被測樣品的入射光射向樣品表面。3)整個測量系統由電腦控制界面進行控制，通過使用不同波長的激光二極管作為光源，改變入射光的波長。植物葉片的散射光強由排列在1/4圓弧上的檢測陣列滑塊2檢測，并可以在1/2圓弧的導軌1上滑動。導軌1帶動檢測陣列滑塊2可以繞被測樣品旋轉360度。通過檢測陣列滑塊2上排列的多個光電檢測器11，可以并行檢測多個方向的散射光強。通過滑塊沿導軌的滑動，可以改變散射光檢測角的極角(θr或θt)。導軌1帶動檢測陣列滑塊2繞被測樣品的旋轉，可以改變散射光檢測角的方位角(φr或φt)。
采用單色性好、發射功率高的激光二極管作為光源，光源固定。
采用硅光電池作為光電傳感器檢測光強。硅光電池的波段響應區間在400-1100nm。
本發明采用半導體激光二極管作為光源，可以通過選用不同波長的發光二極管，改變入射光的波長。如選用650nm波長的激光二極管測量葉片在紅光波段的散射光強分布，如選用830nm波長的激光二極管可測量葉片在近紅光波段的散射光強分布。
本發明通過樣品架的二維正交旋轉，改變入射光的方向。轉動樣品環的手柄，可以改變入射角的極角。旋轉樣品架，可以改變入射角的方位角。測量時，先將葉片樣品夾在樣品換上，然后再調整樣品環的手柄改變入射角的極角，最后通過電腦控制樣品架的旋轉，改變入射角的方位角。
散射光的檢測方向由檢測陣滑塊沿著弧形導軌的滑動和轉動的方法改變，檢測陣列相對于導軌的滑動和導軌圍繞樣品架的旋轉由微電腦控制步進電機轉動來實現。只要在電腦控制界面輸入檢測角度間隔。系統就會進行散射光強分布的自動掃描。在掃描過程中，電腦的界面上會以表格和圖形的方式顯示出測定數據。顯示數據包括散射角、入射光強、散射光強。
權利要求
1.一種測量散射光空間分布的裝置，所述散射光測量裝置由光源組件、樣品架、滑軌、檢測陣列滑塊、控制及傳動柜組成，其特征在于在控制及傳動柜(5)的臺面上中部由樣品架支柱(9)支持滑軌(1)和檢測陣列滑塊(2)，樣品架的U型托架(3)固定在樣品架支柱(9)的頂端，樣品環(6)由樣品環轉動手柄(7)和樣品環固定鈕(8)支持在樣品架的U型托架(3)的U字開口端；左邊光源組件(4)由光源組件立柱(10)固定在臺面上。
2.根據權利要求1所述測量散射光空間分布的裝置，其特征在于所述滑軌(1)是一個圓形軌道，其上刻有相對于圓心的角度刻度，最小分辨為一度，檢測陣列滑塊(2)能在其上平穩無間隙滑動，并能讀出滑動的角度。
3.根據權利要求1所述測量散射光空間分布的裝置，其特征在于所述檢測陣列滑塊(2)上裝有等間距的多個光電檢測器(11)，每個檢測器的中心法線都指向樣品環的中心；光電檢測器(11)焊接在弧形線路板上，安裝在檢測陣列滑塊(2)靠圓心的一側；檢測陣列滑塊(2)與滑軌(1)的固定靠一個定位螺釘(12)固定。
4.根據權利要求1所述測量散射光空間分布的裝置，其特征在于所述控制及傳動柜(5)由軸承、傳動齒輪、步進電機、電源、電控板組成，電源提供220V到低壓直流電的轉換，給整個系統供電；電控板主要完成與上位PC機的通訊、控制兩個步進電機的運動、控制光源的開關、檢測光源強度、采集檢測陣列上的光電信號，兩個步進電機分別控制樣品架組件和滑軌的旋轉。
5.根據權利要求1所述測量散射光空間分布的裝置，其特征在于所述光源組件4由光源架(4.1)、光源(4.2)、分光鏡(4.3)、光源檢測器(4.4)、光闌組成(4.5)，其分光鏡用于將出射光的微小部分反射到光源檢測器上，監測光源強度的變化；光闌用于調節出射光的光斑大小。
6.根據權利要求1所述測量散射光空間分布的裝置，其特征在于所述光源為常見的圓柱形微功率半導體激光器，或者是光纖引入的其它光源，其光束為直徑不大于2mm的平行光，出光方向可以通過光源架上的螺釘作微小調節。
7.一種測量散射光空間分布的方法，其特征在于所述測量散射光空間分布的方法是1)薄形樣品放置在由鐵材料加工的樣品環上，以一片環形薄片磁鐵夾住樣品，樣品環轉動手柄用于改變樣品的傾斜角度，其上刻有轉動的度數指示；樣品環調節樣品到需要的傾斜角度后，擰緊樣品環固定鈕固定樣品環，使其相對U形托架固定，樣品架在可以進行水平和垂直兩個方向獨立旋轉，通過樣品架帶動被測樣品的二維正交方向的轉動，使得系統不需要移動光源，而實現入射光方向(θi，φi)的調整；2)對光源出發的光進行分束處理后分為兩束光，其中由分光鏡(4.3)分出的一束微弱的光由一個光電檢測器檢測其光強，另一束光作為被測樣品的入射光射向樣品表面；3)散射光強由排列在1/4圓弧檢測陣列滑塊上的光電檢測器檢測，并可以在1/2圓弧的導軌上滑動，導軌帶動檢測陣列滑塊可以繞被測樣品旋轉360度；通過檢測陣列滑塊上排列的多個光電檢測器，可以并行檢測多個方向的散射光強。通過滑塊沿導軌的滑動，可以改變散射光檢測角的極角(θr或θt)，通過導軌帶動檢測陣列滑塊繞被測樣品的旋轉，可以改變散射光檢測角的方位角(φr或φt)，測定物體反射光和透射光的空間分布。
全文摘要
本發明公開了屬于光學檢測技術領域的一種測量散射光空間分布的方法和裝置。在控制及傳動柜的臺面上中部由樣品架支柱支持滑軌和檢測陣列滑塊，樣品架固定在樣品架支柱的頂端，樣品架安裝在整個測量裝置的中心位置，樣品環由樣品架托住，臺面左邊的光源組件立柱上固定光源組件；其中樣品環的中心位置與光源的光軸在同一條水平線上。整個測量系統由電腦控制界面進行控制，通過使用不同波長的激光二極管作為光源，改變入射光的波長。樣品的散射光強由排列在1/4圓弧上的檢測陣列滑塊檢測，系統可以在較短時間內，精確地測定植物葉片等樣品在選擇吸收波長下的BRDF/BTDF測定值。用于農業信息檢測及用于計算機真實感圖形顯示的相關技術。
文檔編號G01N21/47GK1657909SQ20051005963
公開日2005年8月24日 申請日期2005年3月30日 優先權日2005年3月30日
發明者勞彩蓮, 李保國, 郭焱 申請人:中國農業大學