遮光罩材料光学散射特性测试系统设计

陈贺，姜肇国，徐熙平

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

天基光学系统中，探测目标亮度低，探测器灵敏，所成的像很容易受到来自太阳的杂散光的影响［1］，降低成像系统的信噪比，干扰信号的提取［2，3］，遮光罩是减小视场外的杂光对目标成像影响很重要的一部分［4，5］，获取遮光罩对光的反射特性可以了解其消杂光的能力，并为其设计提供参考。目前，在设计过程中，主要采用软件仿真的方式获得遮光罩表面双向反射分布函数（BRDF）进行杂散光分析，与实际材料的BRDF存在一定差异，使得在遮光罩加工后，在杂散光测试过程中仍然会存在视场角外的部分光线入射到成像器件上的问题，因而实际测试遮光罩材料的BRDF，用以替换仿真数据进行遮光罩设计，可有效避免反复设计而带来的时间以及经济上的损失。本文提出一种BRDF测试方法，可以获得材料的表面BRDF，通过BRDF可以知道在不同入射角度下材料的散射特性，根据实际需要，选择合适的材料以及材料的粗糙度，指导遮光罩的设计。

目前，BRDF的测量方法主要分为两种，相对测量方法［6］与绝对测量方法［7］，其中，相对测量方法需要已知BRDF数据的标准板作为参考，一般以国家计量院提供的聚四氟乙烯标准板为参考板［8，9］，在相同照射和观测条件下得到样品和漫射板的反射光的探测器响应值，通过两者的比值得到目标的BRDF值，这种方法的主要优点是测量目标与参考板时环境的影响因素相同，能够减弱环境及器件本身引起的杂散光的影响［10］，但需要对标准白板进行标定，一般由国家计量院完成，由于传递链路长，不确定度在2%以上［11，12］。绝对测量不需要参考板，直接测量目标反射光及光源的响应值，根据BRDF的原理公式得到其BRDF值，所得结果更为准确。本文提出了一种新的BRDF测量装置，该装置的优点在于测试目标范围广泛，既能够测量非透明目标表面的BRDF，也能够测量透明及半透明目标的BTDF（双向透射分布函数）。

1 BRDF定义

双向反射分布函数是用于描述物体表面的光的空间反射特性的物理量［13，14］，表示目标在某一反射方向的反射辐亮度与入射方向的入射辐照度的比值［15，16］，原理图如图1所示。

公式为：

2 系统工作原理

2.1 工作原理

图2为BRDF测试原理图，图中ωi表示入射光束的立体角，S表示光束经过准直扩束系统后的小孔的面积，即光斑面积，l表示聚焦镜到目标之间的距离，根据辐射度学，辐射照度与辐射亮度的关系，为方便数据分析，将（2）式转化为：

式中，Vi和Vr分别表示探测器对入射光和经PMMA反射的反射光的响应值。所以只要得到Vi、Vr、S以及l的值就可以得到PMMA的BRDF。

图2 BRDF测试原理

系统的工作原理图如图3所示。

图3 BRDF测量系统原理图

激光器发出的光通过小孔和衰减片对光束进行衰减，以达到探测器对光强的要求，斩波器将连续的光信号调制为有固定频率的光，并将该频率传输给与之相连的锁相放大器作为锁相放大器的参考频率，锁相放大器要求信号频率要远离50Hz，测试中设置为120Hz，经斩波器调制后的光经过扩束系统后获得平行的均匀光，通过可调节光阑取光束中心亮斑，经聚焦镜光束会聚到目标表面，探测器光电倍增管将探测到的光信号转化为电信号传输到锁相放大器，最后将数据传给计算机进行处理。测量不透明目标满足入射角范围为-90°～90°，反射方位角范围为0°～90°，反射天顶角范围为-90°～90°。

2.2 实验平台搭建

实验装置图如图4所示。

图4 BRDF实验装置图

图中，光源采用波长为650nm激光器，以光电倍增管为探测器，在峰值灵敏度波长内的辐照灵敏度为150V/nW，利用斩波器和锁相放大器对信号进行滤波放大和采集，有效滤除环境光的影响，锁相放大器的电压灵敏度为1nV-1V，利用高精密位移台控制旋转角度，对光源和探测器进行定位，角度分辨率为0.00125°，重复定位精度小于0.005°，达到了较高精度的测量。

2.3 PTFE测试结果及分析

以聚四氟乙烯（PTFE）烧制板为漫反射板进行绝对测量测试，控制精密位移装置，使光源的入射角分别为20°、40°、60°，探测器反射天顶角为0°到80°测试，并计算BRDF，为保证测试精度，探测器移动过程中每间隔2°采集一次数据。

BRDF的曲线如图5所示，图中横坐标为反射天顶角，纵坐标为BRDF值，测试结果与国际上PTFE漫反射板在相同条件下的测试结果一致［17］，测试装置的精度较高。

图5 入射角分别为20°、40°、60°时PTFE漫反射板的BRDF

从图中曲线可知，当入射角较小时，PTFE的BRDF曲线的变化趋势较平缓，反射光较均匀，入射光入射角为60°时，随着反射角的增加，反射光增强的趋势越来越快，表面呈现较强的镜面反射特性。对于理想的朗伯体，其双向反射分布函数为1/π［18］，测试中的PTFE漫反射板与理想的朗伯体存在一定差距。

2.4 PMMA测试结果及分析

分别以表面光滑的白色及黑色PMMA材料为测试对象进行绝对测量测试，控制精密位移装置，使光源的入射角为30°、40°、50°和60°，探测器反射天顶角移动范围为0°到80°测试并计算BRDF，为保证测试精度，探测器移动过程中每间隔2°采集一次数据。

BRDF的曲线如图6所示。

图6 光滑表面不同颜色的PMMA不同入射角的BRDF

图6（a）是白色光滑表面的PMMA在光源入射角分别为30°和60°时，其BRDF值随反射角的变化而变化的曲线图；图6（b）是黑色光滑表面的PMMA在光源入射角分别为30°和60°时，其BRDF值随反射角的变化而变化的曲线图。从图中曲线的趋势可以看出，黑色和白色表面光滑的PMMA，不是朗伯表面，其表面反射光集中在镜面反射处，呈镜面反射特性，且满足Snell反射定率。反射光强度在镜面反射两侧迅速下降，接近于零，证明了光滑表面具有很强的镜面反射特性，而漫反射相对较弱。

图7（a）是白色磨砂表面的PMMA在光源入射角分别为30°、40°、50°和60°时，其BRDF值随反射角的变化而变化的曲线图；图7（b）是黑色磨砂表面的PMMA在光源入射角分别为 30°、40°、50°和 60°时，其BRDF值随反射角的变化而变化的曲线图。从图中曲线可以看出，无论是白色的PMMA还是黑色的PMMA，都没有明显的波峰，但从两组数据可以看出，随着入射角的增大，BRDF值随反射角的增大整体呈上升趋势，可以得出结论，磨砂表面的PMMA在光源的入射角较小时，反射光主要以漫反射为主，镜面反射很弱，呈现朗伯反射特性，随着入射角的增大，材料镜面反射性增强，光强集中在一定角度范围内，但并不是镜面反射。

图7 磨砂表面不同颜色的PMMA不同角度的BRDF

图8是将白色与黑色的磨砂表面的PMMA在相同入射角时的BRDF曲线进行对比，其中（a）、（b）、（c）、（d）分别为入射角在30°、40°、50°和60°时的BRDF曲线，从图中明显可以看出白色PMMA的BRDF曲线高于黑色PMMA的BRDF曲线，说明黑色的PMMA具有优于白色PMMA的消光能力。

图8 白色与黑色的磨砂表面PMMA相同入射角的BRDF

3 结论

为了测试遮光罩主要材料PMMA的光学散射特性，搭建了一种BRDF的测试装置，利用此装置测试聚四氟乙烯烧制板的BRDF，与国际上测试结果一致，装置的精度较高。测试两种颜色，两种粗糙度表面的PMMA材料的表面BRDF，结果表明，光滑表面的PMMA具有较高的镜像峰值，呈现较好的镜面反射特征；磨砂表面的PMMA在入射角较小时，呈现较好的漫反射特征，随着入射角的增大，其镜面反射特征逐渐增强；黑色PMMA比白色PMMA有更好的消光能力。根据测试结果，为增强遮光罩的消杂光能力，在遮光罩设计中，增加合适的黑色具有较强吸收光能力的材料，同时在结构设计中，削弱由于光在大角度入射时较强的镜面反射。根据BRDF测试装置实际测试获得材料的BRDF，代替软件仿真获得的材料的BRDF，能够在遮光罩的消杂光设计中提供更加真实有效的参考。此外，装置还能够测量半透明目标及透明目标的BTDF，入射角范围为-90°～90°，反射方位角范围为0°～90°，反射天顶角范围为-90°～90°。在下一步工作中将完善本工作内容。

随着BRDF的应用范围的不断扩大，对各种材料的BRDF数据的需求会不断增加，同时对精度的要求也会提高。高稳定性、高均匀性、高平行性的光源，更高精度的位移台，高动态探测范围的探测器，更好的光路系统都是提高精度的发展方向。这也是本测试装置下一步考虑发展的方向。未来，不同环境下各种材料表面特征的变化，在各种环境下都能够正常工作的测量装置的研制都有可能成为研究方向。