基于舍选抽样BRDF离散数值的散射光线追迹方法

提出了一种基于表面双向反射分布函数（BRDF）离散测量值直接追迹散射光线的方法，以各向同性表面为例，先对随散射角离散变化的表面BRDF离散测量数据组做空间坐标转换，由散射角半球空间转换到方向余弦空间；再通过等间距赋值插等值方式得到方向余弦空间内分布的BRDF数据；然后，利用舍选抽样法不受限于累积分布函数（CDF）求解过程的优点，设计新的散射概率模型，以方向余弦空间内BRDF数值比表示离散光线的概率分布，设定检验条件筛选出散射光线的空间坐标，实现散射光线追迹。为验证本文方法的准确性与适用性，设置相同的入射角、追迹光线数量等仿真参数，编制了本文光线追迹方法的仿真程序，对不同光机元器件建模仿真，对比商用LightTools软件的仿真结果，计算二者的通用质量指数UQI作为比对评价指标。结果表明，基于舍选抽样BRDF离散数值的散射光线追迹方法，运算结果数据准确，与商用LightTools软件的仿真结果相比，UQI值均在0.998以上，且波动范围小，本方法具有良好地适用性。     

基于椭圆形光强分布光栅投影的三维面形测量方法

基于椭圆形光强分布光栅投影测量物体三维面形的方法,将椭圆形光强分布光栅投影到被测物体表面,用摄像机获取变形条纹图,通过系统参量和条纹图携带的相位信息求解出物体的三维面形.推导出通过椭圆形光强分布光栅条纹求解相位的计算公式并对提出方法作了计算机仿真.实验结果表明该方法可以比较准确地测量物体的三维面形,在噪音较大的情况下测量结果仍具有较高准确度.     

基于椭圆形光强分布光栅投影的三维面形测量方法

基于椭圆形光强分布光栅投影测量物体三维面形的方法,将椭圆形光强分布光栅投影到被测物体表面,用摄像机获取变形条纹图,通过系统参量和条纹图携带的相位信息求解出物体的三维面形.推导出通过椭圆形光强分布光栅条纹求解相位的计算公式并对提出方法作了计算机仿真.实验结果表明该方法可以比较准确地测量物体的三维面形,在噪音较大的情况下测量结果仍具有较高准确度.     

基于六参量偏振BRDF模型的地物背景偏振反射特性研究

为研究地物背景的偏振反射特性,综合考虑了镜面反射、体散射和后向散射,建立了一种六参量偏振双向反射分布函数(pBRDF)模型。该模型利用Kubelka-Munk(KM)理论模拟体散射分量,并引入呈高斯分布的后向散射分量,改进了传统的偏振BRDF模型。建立的六参量偏振BRDF模型更加符合地物背景的偏振反射特性。基于多角度偏振测量原理,获得草地和土壤在不同观测几何下的偏振光谱,分析了偏振反射分布特征,并从实测数据中反演了模型参量,将测量值与仿真值进行了对比。结果表明:所建立的六参量偏振BRDF模型的仿真结果与实测数据之间具有很好的吻合性,证实了该模型的准确性与有效性。     

物体表面的划痕对其表面光散射特性的影响

为了寻求物体表面划痕对其表面光散射特性的影响,设计了测量物体表面散射特性的测试平台,利用该测试平台分别对无划痕和划痕间距不同的铁片和塑料片表面的散射光进行了测量。测量结果表明：样片表面的划痕对其表面散射特性有较大影响,划痕间距越小,即划痕越密集,其表面散射光越强。同时利用BRDF五参量模型对测量结果进行了分析,分析结果与测量结果具有很好的相关性。     

基于偏振门的动态光散射颗粒测量法的研究

为了解决动态光散射纳米颗粒测量技术无法测量高浓度颗粒粒径的难题,提出了一种基于偏振门的动态光散射测量法。从动态光散射和Mie理论出发,理论分析了在高浓度溶液下多重散射效应对散射光偏振态和颗粒粒度测量结果的影响。根据散射光偏振特点,结合偏振门检测技术,改进了传统的动态光散射光学系统。实验研究了在低浓度和高浓度溶液时,不同偏振角度下的散射光强和粒度测量值,完善了散射光的偏振理论。采用90°偏振门检偏,通过各种浓度下的实验,证明了方法的可行性。该方法较之目前同类方法具有原理和结构简单,系统易于维护的特点。     

光折变晶体Ce:BaTiO_3中的各向同性扇形散射

用一束ｅ偏振的激光入射到一块掺ＣｅＢａＴｉＯ３晶体上，在出射方向上观察到了相同偏振的散射光扇。测量了散射光强度、建立时间与入射光波长、入射角度、入射功率的依赖关系，以及散射光强的角分布。对实验现象进行了解释。使用一组经过简化的基于二波耦合理论的方程进行了计算。在所得结果中，散射光强的角分布与实验值定量地符合；透射光强与入射角度、波长的关系能够反映出其变化趋势。     

基于图像动态光散射的二维纳米颗粒粒度测量

提出了一种基于图像动态光散射原理测量二维纳米颗粒粒度的新方法,称为平移转动-图像动态光散射(TR-IDLS)法。采用会聚的偏振高斯光束照射样品池中处于布朗运动的二维纳米粒子,分别采集纳米粒子的水平偏振散射光信号和垂直偏振散射光信号。根据两个偏振方向上散射光光强波动的时间相关函数,计算出纳米颗粒的平移和转动扩散系数的分布,进而从扩散系数中获得颗粒的长宽比、等效直径和厚度的分布。采用该方法测量了球形标准纳米颗粒和片状云母颗粒的粒径。采用电镜获得了片状云母颗粒的形状和等效直径,并与TR-IDLS方法的实验结果进行比较,验证了TR-IDLS方法的可行性。     

基于波面剪切干涉原理测量微细台阶高度

提出了利用波面剪切干涉原理测量微细结构台阶高度的方法。通过在微分相衬干涉系统光路中加入偏振分光棱镜,实现了对光束的微分剪切及复合偏振。利用矩阵分析法建立了该测量系统的数学模型,根据探测到的光强信息图,由光强与干涉相位差间的关系式提取到了测量区域的相位分布值,由位相与待测物纵向深度间的转换关系式,经图像重建后通过计算得到了台阶的表面高度信息。     

激光轮廓测量中的光强自动控制研究

脉宽调制技术目前已广泛应用于高频电磁加热系统、开关电源等领域1,本文首次将脉宽调制技术用于激光扫描测量系统,解决了激光扫描测量中国不同材料对激光的散射光强不同、不同曲面对激光光强反射各异以及物体表面镜面反射等问题给测量精度带来的严重影响2,利用激光扫描系统中的摄象机直接作为光强反馈系统,实现了测量过程中的光强自动控制,有效地降低了光强饱和等问题给测量带来的误差.     

Three-dimensional polarimetric integral imaging

A three-dimensional (3D) polarimetric image sensing and display technique based on integral imaging is proposed. Three-dimensional polarization distribution of reflected light from a 3D object can be measured as elemental image arrays by a rotating linear polarizer. After the measurement of the polarization of the 3D object, the 3D polarimetric object can be reconstructed optically by displaying the polarization-selected elemental images in spatial light modulators with two quarter-wave plates. Experimental demonstration of 3D polarimetric imaging of a 3D object attached to two orthogonal linear polarizers is presented. To the best of our knowledge, this is the first report on 3D polarimetric sensing imaging and 3D optical reconstruction by integral imaging.     

偏振光谱BRDF建模与仿真

在偏振光条件下,物体的表面反射受到折射率、表面粗糙度、入射角等多种因素的影响。针对粗糙物体表面在不同波段光照下表现出不同的偏振反射特性,提出一种基于Kirchhof理论的偏振光谱BRDF模型。利用已知材质在不同波长下的复折射率,对其折射率和消光系数部分分别反演出的对应光谱模型,进而得到复折射率的光谱模型;同借鉴经典的表面粗糙度测量方法,结合菲涅耳反射公式,推导出表面粗糙度的光谱模型,将得到的复折射率和粗糙度光谱模型与BRDF模型相结合,推导出偏振光谱BRDF建模。模型分别在折射率随波长变化、粗糙度为常量,折射率、粗糙度均随波长变化以及原模型三种情况下进行仿真对比实验,并将所得到的数据与其他资料进行对比。其结果表明,该模型能够较为准确的反映物体表面的偏振反射特性,并且能够描述偏振度随波长变化趋势的光谱特征,能够为偏振遥感、物质分类等方面的应用提供可靠依据。     

空间目标表面材料光谱双向反射分布函数测量与建模

介绍了双向反射分布函数（BRDF）的绝对测量原理和方法,选用光谱分辨率为3 nm的光谱辐射度计及精度为001°的三维转角系统,搭建了BRDF自动测量平台,对空间目标表面包覆材料在400—2500 nm的光谱BRDF进行了测量.结果表明,BRDF曲线极大值所对应的散射角度一般在镜反射方向左右,其余BRDF值随散射角变化很平缓,从中间向两边逐渐变小,近似成余弦分布.测量误差为495%.应用模拟退火算法,结合BRDF五参量统计模型,获得了测量光谱范围内各波长对应的共2101组五参量值,通过对比参量计算结果和 关键词： 双向反射分布函数 绝对测量 误差分析 参量模型     

目标表面可见光谱BRDF的实验测量及优化建模

介绍了一种用双向反射分布函数测定仪进行目标双向反射分布函数测量的方法。运用该测量系统在可见光谱区域对样片进行了实验测量,然后对BRDF实验数据进行谱积分预处理,结合BRDF五参数半经验统计模型,利用遗传模拟退火算法,获取样片的BRDF模型参数,并获得了三维空间的BRDF分布。结果表明,获得的可见光谱BRDF模型能准确反映材料的光散射特性,符合工程要求。     

基于双向反射分布函数实验测量的目标散射特性的分析

介绍了一种用双向反射分布函数(BRDF)测定仪进行目标双向反射分布函数测量的方法。以聚四氟乙烯(F4)粉压制板作为反射标准板,给出了F4标准板及所测样品在双向反射分布函数测定仪上的测量数据。被测样片的反射光强度经标定过的漫反射标准板传递,最终在较高分辨率的半球空间内分析计算出了样品在红外(1.06μm和0.86μm)波段的双向反射分布函数。实验结果表明,该方法是一种分析目标散射特性的可行性方法。     

Polarimetric weak-localization effect in scattering of natural light in the region of small phase angles

Results of laboratory measurements and interpretations of the polarimetric effect of weak localization (negative polarization) appearing under scattering of natural light by a dark ultradisperse surface (soot with albedo of 2.5%) are presented. The measurements were carried out in red light in a range of phase angles of 0.2°–4.2°. It was revealed that the soot, despite the low albedo, shows the polarimetric weak-localization effect inherent in bright surfaces such as the surface formed by smoked MgO. The results of measurements are interpreted using numerical simulation of multiple light scattering in a medium consisting of particles whose characteristics are close to those observed for soot. As the result of simulation, it was found that the scattering with the multiplicity exceeding two can give rise to a negative polarization branch, which becomes narrower with increasing scattering order. For the case of soot, four orders of scattering is sufficient to describe the observed polarimetric effect of weak localization with a necessary accuracy.     

Design of multi-spectrum BRDF measurement system

A multi-spectrum bidirectional reflectance distribution function (BRDF) measurement system was developed with the adoption of single reference standard measurement method. An arm-adjustable corner device was designed for the BRDF system. Changing the distance to the sample by moving the detector arm made the device applicable to different wavelengths. The system could be used for the spectrum range from visible light (0.6328 μm) to mid-far infrared (10.6 μm), the facular size between 0.8-3 cm.The rotating limit of detector arm was ±180°, the rotation range of sample holding table was 360°, and the angle resolution was 0.036°. A silicon carbide sample was measured using this system with reflectance zenith from -55° to +55°. According to the error analysis, the measurement uncertainty of this device was about 6.42%.     

Space-variant polarization manipulation for far-field polarimetry by use of subwavelength dielectric gratings

A method for polarimetric measurement that uses a discrete space-variant subwavelength dielectric grating is presented. One retrieves the polarization state by measuring the far-field intensity of a beam emerging from the grating followed by a polarizer. The analysis for a partially polarized, quasi-monochromatic beam is performed by use of the beam coherence polarization matrix along with an extended van Cittert-Zernike theorem. We experimentally demonstrate polarization measurements of both fully and partially polarized light.     

Stray light suppression in BRDF measurement infrared optical system

A set of system based on personal computer for the bi-directional reflectance distribution function (BRDF) measurement was developed, whose laser wavelengths cover 0.6328, 1.34, 3.39, and 10.6 μm from visible to infrared. Stray light in BRDF measurement system was analyzed. It can be reduced and suppressed by the design of the system light path in BRDF measurement system, the choice of the measuring scheme, the processing to the optoelectronic signal, and the radiation control of the optical components and mechanical equipments. So the minimum measurable value of BRDF is less than 10-5/sr.