技术领域

本发明属于光辐射测量领域， 具体涉及一种光学反射特性测量装置及方法。

背景技术

具有良好反射特性， 特别是良好回复反射特性的材料被广泛应用于 汽车、 机动车、 警 示牌等场合， 对于道路交通和人身安全起着十分关键的作用 。反射特性或者回复反射特性是 该类材料的关键技术指标， 对其进行有效的测量具有十分重要的意义。 由于材料回复反射特 性的测量必须在入射和接收光路相重合或者十 分接近的方向上进行， 技术难度极大， 到目前 为止， 还未见适用于回复反射器或材料的光谱特性测 量的有效装置或者方法。

传统的回复反射测量光路如图 1所示， 标准 A光源在一定的照射角下照明被测样品， 光探测器以一定的观测角接收被测样品所发出 的回复反射光线，实现回复反射材料或者回复 反射器的光度特性的测量。该方法的照明光路 与反射光路的光程较长， 到达探测器的回复反 射光的光学信号很弱， 很难实现材料的光谱特性测量； 并且上述回复反射测量需要在非常大 的暗室空间内进行， 仅适用于实验室的光度测量要求， 不能满足工业产线及现场快速测试要 求。 发明内容

针对上述现有技术的不足， 本发明旨在提供一种紧凑型的快速材料反射测 量装置， 在入 射光与反射光接近于相反方向的条件下，不仅 能够实现反射材料或回复反射器的光谱特性测 量， 而且具有体积小、 光路简单、 测量准确度高、 测量速度快、 操作方便和成本低等特点。

本发明是通过以下技术方案实现的。一种材料 反射特性测量装置， 其特征在于， 包括中 空激发源、 监测装置和测量装置， 所述的测量装置和被测样品分别位于中空激发 源两侧， 所 述的测量装置为光谱辐射计； 监测装置接收来自中空激发源的光线， 中空激发源发出的光线 照射到被测样品上， 被测样品反射出的反射光穿过中空激发源空心 部分被测量装置所接收， 即量装置接收来自被测样品的、 并从中空激发源空心部分穿过的回复反射光线 。

测量时， 被测样品放置在基座上或者放置在距离中空激 发源一定距离的位置上， 中空激 发源位于测量装置和被测样品之间，被测样品 到中空激发源的距离远大于中空激发源的出光 面的尺寸或者直径， 以实现入射光与反射光接近于相反方向的光学 条件。监测装置的位置可 灵活设置， 如可设置在中空激发源的侧面或者设置在被测 样品入射光路的旁侧光路上。监测 装置一般是光谱辐射计， 若中空激发源相对光谱辐射功率分布稳定， 监测装置也可以是光辐 射探测器。

根据被测样品的回复反射特性，中空激发源发 出的光线以一定的照射角入射到被测样品 上， 被测样品所发出的反射光或者回复反射光以一 定的观察角被测量装置所接收。 以照射角 接近 0度为例， 中空激发源所发出的光线以接近正入射的角度 入射到被测样品上， 被测样品 所发出的反射光线或者回复反射光线几乎沿被 测样品的法线方向返回，并从中空激发源空心 部分穿过， 被测量装置所接收。

根据测量装置所测得的被测样品的反射光的光 谱与监测装置所测得的中空激发源的光 谱， 可以计算得到被测样品的光谱、 光度和色度特性。 当然， 这里的被测样品可以为回复反 射器、 回复反射材料或者一般反射材料。 当被测样品为一般反射材料时， 本发明也可以用于 其光谱反射率和颜色特性的测量。

上述技术方案可通过以下材料反射测量方法获 得被测样品的光谱、光度和色度特性， 其 特征在于， 包括以下测量步骤：

(a) 在中空激发源的照射下， 将标准光谱辐照度计放置在被测样品处， 分别记录标准光 谱辐照度计和监测装置的测量结果；或者将已 知光谱反射特性数据的标准样品放置在被测样 品处， 分别记录监测装置和测量装置的测量结果；

(b) 将标准光谱辐照度计或者标准样品替换为被测 样品， 在中空激发源的照射下， 分别 记录监测装置和测量装置的测量结果；

(c) 根据步骤 (a)和步骤 (b)的测量结果，计算获得被测样品的光谱反射 率和光谱辐射强度 系数。

上述测量方法包括利用标准光谱辐照度源进行 测量的绝对测量法， 以及利用标准样品的 相对测量法， 具体测量步骤如下：

( 1 ) 绝对测量法

在绝对测量法中， 只要确保监测装置的测量读数 R (^)与被测样品受照面上的辐照度成 正比， 即可根据监测装置的读数获得被测样品受照面 上的光谱辐照度值 Ε:(λ：)。 具体可利用 标准光谱辐照度计放置在被测样品处， 监测装置和标准光谱辐照度计接收中空激发源 的光 线， 利用两者测量值的比值， 即可用来校准监测装置的测量读数。

此外， 为得到测量装置的光谱辐射强度， 可利用与测量装置的读数成正比的已知光谱辐 射强度 Ι。(λ)的标准源， 校准测量装置的读数 P _s '(； λ )。 在测量被测样品的过程中， 根据测量装 置的读数即可获得反射光的光谱辐射强度值。

当监测装置和测量装置的读数校准完成后， 即可直接获得被测样品的绝对光度、 色度和 光谱量值， 并计算获得被测样品的绝对光谱辐射强度系数 、发光强度系数以及光谱反射率等 参数： 将标准光谱辐照度计替换为被测样品， 在中空激发源的照射下， 监测装置和测量装置 的读数分别为 R' _T ( )和 Ρ^λ：)， 则被测样品受照面的光谱辐照度 Ε _ετ (λ)及其光谱辐射强度 Ι。 _τ (λ)可分别根据 （1) 式及 （2) 式获得：

λ为波长， 单位： nm。 被测样品的光谱辐射强度系数 （光谱辐射强度 /光谱辐射照度） ε(λ)根据上述测量结果 计算得到：

C ^τ(λ) = ^{X) Ρ} ( ^λ ) (λ) (3)

Ε _τ (λ)— Ε:(λ) Ι ' _τ (λ)·Ρ(λ) 被测样品的发光强度系数（发光强度 /照度） CIL (coefficient of luminous intensity)可根据 下式计算得到： ΤΤ ― ― 、 4

ν(λ)为 CIE标准光谱光效函数。 根据被测样品的光谱辐射强度系数 ε(λ)， 在相对光谱功率分布 S _rel (^)已知的任意光源 下， 被测样品的反射光 /回复反射光的相对光谱功率分布 Ρ(λ)为：

?(λ) = ε(λ)-^Λ ) (5) 根据上述获得的光谱 Ρ(λ)， 利用 CIE公式， 可计算出被测样品的色度特性。

(2)相对测量法

上述测量方法中， 也可以利用已知光谱反射特性 （如已知光谱辐射强度系数或者光谱反 射率） 的标准样品， 通过被测样品与标准样品的比对 （相对）测量， 实现被测样品的光谱特 性的测量 （如光谱辐射强度系数或者光谱反射率）。 具体测量方法及计算公式：

将标准样品放到被测样品处， 监测装置和测量装置的读数分别为 1^(^)和 ( ) _; 将标 准样品替换为被测样品， 监测装置和测量装置的读数分别为 1^^)和 (^) _; 当标准样品的 光谱辐射强度系数 _& (λ)已知， 则被测样品的光谱辐射强度系数 _ε (λ)为：

H ₍₆ )

T( ) Ρ ₈ (λ) ^s 当标准样品的光谱反射率 γ^λ)已知， 则被测样品的光谱反射率 γ (λ)为： (7)

T( ) Ρ ₈ (λ) ^s 根据被测样品的光谱辐射强度系数 _ε (λ) , 在相对光谱功率分布 s _rel )已知的任意光源 下， 被测样品的发光强度系数 CIL可按照 （8) 式很方便地计算： ΤΤ o J

同理， 在获得被测样品的光谱反射率 γ (λ)后， 即可根据 (5)式得到在光谱功率分布已知 的任意光源下的被测样品的颜色参数均得； 并可利用 CIE公式，可计算出被测样品的光度和 色度特性。

因此，本发明不仅可实现同批次样品或者同类 样品的相对光度、色度和光谱的快速测量， 而且可实现被测样品的反射光或回复反射光的 绝对光度、色度和光谱测量， 并通过计算获得 被测样品的光谱反射率、光谱辐射强度系数、 发光强度系数以及回复反射光谱等全面的反射 /回复反射参数， 具有测量速度快、 测试功能齐全、 准确度高、 适用范围广等特点。

相比于现有的反射测量装置， 本发明利用中空激发光源， 巧妙设置测量装置和被测样品 的位置， 使从中空激发光源到被测样品的照射光路、从 被测样品到测量装置的测量光路和从 中空激发光源到监测装置的监测光路之间的光 线互不干扰，仅需开启中空激发源即可实现测 量目的， 具有成本低、 杂散光低、 操作方便等特点。 更为重要的是， 本发明选用光谱辐射计 作为测量装置， 不仅可实现被测样品回复反射光的光度、 色度（如色坐标等）和光谱特性的 准确测量， 而且根据其回复反射光谱可计算获得光谱反射 率、光谱辐射强度系数和发光强度 系数等参数， 实现被测样品光学反射特性的全面测量。

本发明还可以通过以下技术方案进一步完善和 优化：

作为优选，在中空激发源和测量装置之间设置 用以阻止中空激发源发出的光线直接入射 到测量装置中的挡光装置； 所述的挡光装置和中空激发源是一体式结构， 或者挡光装置和中 空激发源是分离式的独立结构。 中空激发源发出的光线。挡光装置将来自中空 激发源的以及 其他来自测量光路以外的光线与测量装置之间 的光路隔断，它可让反射光线从孔中穿过到达 测量装置， 同时从中空激发源发出的光线除了照射到被测 样品上， 还有一部分光线如果没有 挡光装置， 会直接入射到测量装置中， 从而影响测量结果， 增大测量误差， 挡光装置阻止该 部分光线直接入射到测量装置中， 避免引起测量误差。挡光装置一般为中间通孔 的环形机械 装置， 挡光装置可以与中空激发源一体化设计， 如指向性 LED灯具， 挡光装置为灯具中的 光学反射器件， 使 LED光源所发射的光束集中照射到被测样品上； 或者挡光装置与中空激 发源为两个相互分离的独立结构， 如挡光装置为中空反射镜， 中空激发源为螺旋形闪光灯， 两者相互结合， 中空反射镜将中空激发源所发出的、 与被测样品所在方向反向的光线反射， 避免其直接入射到测量装置中。

本发明中，所述的监测装置为光谱辐射计或者 光电探测器或者亮度测量装置。本发明中， 监测装置可灵活选择， 满足不同的测试需求。监测装置优选为光谱辐 射计， 测量装置和监测 装置的测量信息一致， 可充分利用两者的测量结果得到被测样品的反 射率、光谱反射率以及 发光强度系数等全面的光度、 色度和光谱量值。

作为优选， 所述的中空激发源为中空光源， 或所述的中空激发源为内置光源的中空照明 腔体。 中空激发源为被测样品的照射源， 可以是独立的中空光源， 也可以是内置光源的中空 照明腔体。 需要指出的是， 中空激发源的照射光轴与被测样品的基准轴线 倾斜相交， 倾斜角 度满足实际应用的相关要求， 如小于 5°， 甚至小于 1°等。

作为优选， 所述的中空照明腔体上设置面向被测样品的照 明窗口， 从照明窗口出射的光 线入射到被测样品上，被测样品发出的回复反 射光线从中空照明腔体的空心部分穿过并被测 量装置接收。 该技术方案中， 中空激发源为包括照明窗口和内置光源的中空 照明腔体（如空 心圆柱体等）， 照明窗口位于中空照明腔体的空心口面上， 正面面向被测样品。 中空照明腔 体的内置光源发出光线， 从照明窗口出射， 照射到被测样品上， 被测样品的回复反射光线从 中空照明腔体的空心部分穿过并被测量装置所 接收， 实现测量目的。 此外， 如挡光装置为中 空反射镜， 中空反射镜也可以设置在中空照明腔体内部、 与照明窗口相对的位置， 中空反射 镜和照明窗口分别位于内置光源的两侧。 内置光源所发出的光线一部分是朝向被测样品 的， 另一部分光线是与被测样品所在的方向反向的 ， 中空反射镜将内置光源发出的、与被测样品 所在方向反向的光线反射至被测样品上。

作为一种技术方案， 包括中空监测体， 中空激发源发出的光线照射到中空监测体上并 被 监测装置接收， 从中空激发源发出的光线穿过中空监测体照射 被测样品上。 实际上， 监测装 置的位置可灵活设置， 可位于任意位置， 只要可实现中空激发光源出射光线的测量即可 ， 如 位于中空激发源附近， 或者位于中空激发源和被测样品之间的任意位 置， 如位于被测样品附 近， 只要能够接收来自中空激发源的光线即可。 需要指出的是， 照射到被测样品上的光线信 息与监测装置接收到的光线信息的一致程度越 大， 测量结果也就越准确。 中空激发源发出的 光线分为两部分， 一部分光线用以照射被测样品， 被测样品发出的回复反射光线经由中空监 测体的空心部分、 中空激发源的空心部分， 被测量装置所接收， 实现回复反射测量； 另一部 分光线经中空监测体被监测装置接收，该部分 光线可根据中空监测体的具体设置而被监测装 置接收， 例如， 中空监测体位于被测样品上方， 中空监测体的中空外侧为漫射层， 光线照射 到漫射层上后， 经漫射层出射后被监测装置接收， 需要指出的是， 这里的漫射层可以同时具 有漫透射及漫反射的特性，光线照射到其上后 ，先经漫反射， 再向外透射，被监测装置接收。

作为另一种技术方案， 所述的中空照明腔体为包括漫射层的中空腔体 ， 所述的监测装置 面向中空照明腔体，中空照明腔体所发出的光 线一部分照射到漫射层上、并被监测装置接收 ， 另一部分光线从照明窗口入射到被测样品上。 该技术方案中， 监测装置位于中空照明腔体附 近， 中空照明腔体的内置光源发出的光线也分为两 部分， 一部分从照明窗口出射， 照射到被 测样品上， 另一部分同样经漫射层出射、 被监测装置接收。 对于空间光色分布均勾的光源， 以上两种技术方案均能实现监测目的， 且监测效果类似。但与对于空间光色分布不均 勾的光 源或者窄光束光源， 如 LED等， 以上两种技术方案的技术效果不同， 对于监测装置位于中 空激发源附近的技术方案， 由于监测装置位于中空激发源的侧面上， 其测量的是内置光源侧 面发出的光线， 而照射到被测样品上的光线是来自内置光源正 面发出的光线， 两者的光线信 息不同， 导致一定的测量误差； 而监测装置位于被测样品附近的技术方案， 由于监测装置和 照射到被测样品上的光线都是来自测量窗口的 光线， 即均是来自内置光源正面发出的光线， 光线信息相同， 测量结果准确度高。 因此， 在实际使用中， 可根据中空激发源的类型， 具体 选择不同的技术方案。

需要指出的是， 虽然中空照明腔体或者中空监测体包括漫射层 ， 但漫射层可以是空心腔 体或者实心体， 对于空心腔体， 除了漫反射层采用如聚四氟乙烯等漫反射材料 ， 其内部还可 以涂有漫反射材料 （如硫酸钡等）， 光线在漫反射层充分漫反射后出射。 此外， 在漫射层上 还可以设置监测窗口， 以方便光线出射； 从监测窗口发出的光线被监测装置直接接收， 或者 经过反射、 会聚等装置后， 如毛玻璃、 透镜等， 再被监测装置所接收。

作为一种技术方案， 所述的中空激发源和被测样品之间的相对距离 可调， 本发明中， 可 灵活设置中空激发源和被测样品之间的相对位 置， 如两者相距 lm _; 同时通过改变两者之间 的相对距离， 可改变照射角的大小， 从而满足不同样品的测试需求， 适用范围广。

作为优选， 包括会聚装置， 所述的会聚装置设置在被测样品和测量装置之 间的反射光路 上， 被测样品的反射或回复反射光线经会聚装置会 聚、 入射至测量装置中。 会聚装置可起到 缩短光程、 会聚光线等作用。

作为优选， 包括中空滤色片， 中空滤色片设置在中空激发源到被测样品的光 路上， 中空 激发源所发出的光线经中空滤色片照射到被测 样品上，从被测样品发出的反射光线穿过中空 滤色片空心部分被测量装置接收。 为避免杂散光、提高测量准确度， 可根据需要设置不同的 短通、 带通、 长通等滤色片， 滤去不必要的光线。

作为优选，包括光阑，所述的中空激发源和监 测装置之间、中空激发源和测量装置之间、 中空激发源和被测样品之间均设置一个或者多 个限制杂散光的光阑，防止外界光线对监测光 路、 测量光路以及照射光路的干扰， 减少杂散光， 提高测量准确度。 此外， 作为优选， 包括 一个或者多个遮光筒， 光阑设置在遮光筒内， 遮光筒将装置封闭在一个较小的空间内， 使整 个测量过程无需配置光学暗室， 大幅降低实验室建设成本、 体积小且操作方便。

作为优选， 所述的中空激发源为封闭中空灯或者非封闭中 空灯。这里的中空激发源可以 为环形闪光灯或者螺旋形闪光灯， 内置光源也可为环形闪光灯或者为螺旋形闪光 灯。相比于 标准 A光源， 闪光灯发光速度快， 且强度高， 对环境依赖性小， 无需设置在光学暗室中即 可实现高精度测量， 满足快速、 精确的测试要求。 中空激发源可以是任何环形结构的照明光 源， 例如环形灯管的荧光灯， 或者为环形 LED灯带等， 也可以是发光面以一定的方式间隔 分布的环形照明光源。 例如， 由拱形机械固定部件和拱形灯管所组成的环形 灯。 环形灯的结 构可根据被测样品的安装位置来设计， 使被测样品充分受照的同时， 减少发光面的设计， 降 低照明成本； 另外， 还可以满足不同被测样品的照射需求。 此外， 中空激发源还可以是非封 闭中空灯， 如 " "中空闪光灯， 仅满足发光以及反射光 /回复反射光可从中空部分穿过 即可。 所述的环形光源可以是圆环形， 也可以是其他多边环形， 也可以是部分环形。 综上所述， 本发明通过巧妙设计中空激发源、测量装置和 监测装置的位置关系， 并采用 光谱辐射计作为测量装置。 相比于现有的反射测量装置， 本发明无需光学暗室， 且大幅缩短 测量光路， 不仅可用于反射材料和回复反射器的光谱、光 度和色度特性的全面测量， 而且可 实现包括绝对和相对比较两种测量方式， 具有体积小、 测量准确度高、 测试功能齐全、 测量 速度快、 成本低、 操作方便和设计一体化等特点。

附图说明

附图 1是现有回复反射测量光路的示意图；

附图 2是实施例 1的示意图。

1-中空激发源； 2-监测装置； 3-测量装置； 4-被测样品； 5-基座； 6-会聚装置； 7-挡光装 置； 8-光阑。

具体实施方式 实施例 1

如图 2所示， 本实施例公开了一种材料反射特性测量装置， 包括中空激发源 1、 监测装 置 2、 测量装置 3、 基座 5、 会聚装置 6、 挡光装置 7和光阑 8。 本实施例中， 中空激发源 1 为螺旋形闪光灯， 螺旋形闪光灯设置在基座 5和测量装置 3之间， 即基座 5和测量装置 3分 别位于中空激发源 1两侧， 监测装置 2和测量装置 3均为光谱仪； 这里的挡光装置 7为挡光 板， 挡光装置 7设置在中空激发源 1和测量装置 3之间； 会聚装置 6为透镜。

测量装置 3、 会聚装置 6、 中空激发源 1和基座 5依次设置， 被测样品 4到中空激发源 1的距离与中空激发源 1的发光直径的比值大于 50以上， 监测装置 2面向中空激发源 1。此 外， 本实施例包括多个光阑 8， 在中空激发源 1和监测装置 2之间、 中空激发源 1和测量装 置 3之间、 中空激发源 1和基座 5之间均设置多个光阑 8， 用于消除杂散光。

测量时， 被测样品 4放置在基座 5上， 螺旋形闪光灯所发出的与被测样品 4所在方向反 向的光线被挡光装置 7截止， 以避免直接入射到测量装置 3中； 监测装置 2直接接收螺旋形 闪光灯的光线， 螺旋形闪光灯发出的光线照射到被测样品 4上， 被测样品 4的回复反射光线 经透镜会聚后， 入射到测量装置 3中进行测量、 分析。

已知标准样品的光谱反射率为丫 ₃ (»， 先后将标准样品和被测样品 4放置到基座 5上， 即可测量得到被测样品 4的光谱反射率为 γ(λ): 测量标准样品时， 监测装置 2和测量装置 3的读数分别为 1^(^)和 ( ：)， 将标准样品 替换为被测样品 4， 监测装置 2和测量装置 3上的读数分别为1^ )和 ），则被测样品 4 的光谱反射率 γ(λ)为： η Ρ _τ (λ) _S ( ) ...

γ(λ、) = - ·γ ₅ (λ)

T( ) Ρ ₈ (λ) ^s 根据被测样品 4的光谱反射率，即可得到该样品在光谱功率� �布已知的任意光源下的回 复反射光的相对光谱功率分布。 例如在已知光谱功率分布为 S _D (^)的标准 D ₆₅ 光源下， 该被 测样品 4的回复反射光的相对光谱功率分布 Ρ(λ)为：

Ρ(λ) = γ(λ).8。(λ) 且在该光源下， 被测样品 4的色度参数可根据 CIE公式计算获得。

实施例 2

本实施例利用标准光谱辐照度计校准监测装置 2的读数，利用光谱辐射强度标准灯校准 测量装置 3的读数，可实现被测样品 4的绝对光谱辐射强度系数以及发光强度系数� �参数的 测量， 测量步骤如下：

(1) 在被测样品 4处放置标准光谱辐照度计， 标准光谱辐照度计在中空激发源 1的照 射下， 测量其受照面的光谱辐照度为 E (^); 监测装置 2的测量结果为 μ)。 将标准光谱 辐照度计替换为被测样品 4， ，监测装置 2的的读数为 ^(A)， 则被测样品 4受照面上的光谱 辐照度为：

(2)光谱辐射强度标准灯的光谱辐射强度 _Ιε (λ)已知， 将其放置在被测样品 4处， 利用 测量装置 3测量其光谱辐射强度， 测量值为^ '(； λ：)。 将光谱辐射强度标准灯替换为被测样品 4， 测量装置 3的读数为 Ρ;(λ：)， 则被测样品 4的光谱辐射强度 I _τ (λ)为： Ι(λ)

Ρ(λ)

(3)根据上述$ t结果， 计算被测样品 4的光谱辐射强度系数（光谱辐射强度 /光谱辐 射照度） ε(λ) =

Ι. _τ (λ) ΐΧλ) Ρ (λ) (λ)

ε(λ)

Ε. _τ (λ) Ε:(λ) Ι ' _τ (λ)·Ρ(λ)

(4)根据上述$ t结果以及 CIE标准光谱光效函数 ν(λ)， 计算被测样品的发光强度系 数 CIL:

在相对光谱功率分布 S _rei )已知的任意光源下， 被测样品的发光强度系数 CIL可按照下 式计算获得为：

CIL =