激光光斑测量用漫反射材料BRDF的获取方法与流程

激光光斑测量用漫反射材料brdf的获取方法
技术领域
1.本发明涉及一种漫反射材料光学特性测量技术，具体涉及激光光斑测量用漫反射材料brdf的获取方法。


背景技术：

2.在常见的光学波段，自然界中几乎所有的表面如地面、海面等都可以被看成是随机粗糙表面，其散射特性也一直是持续的研究热点。准确获得材料brdf(双向反射分布函数)的解析计算模型和方法对于遥感、激光雷达、计算机成像、虚拟现实和计算机视觉等领域都十分重要。
3.在激光参数测量应用领域，采用相机拍摄漫反射屏上的激光散射光斑是一种常用的测量手段，由于实际应用中漫反射屏表面并不是理想的朗伯体，使得不同方向的散射光强不同从而引入较大的测量误差，亟需建立准确可靠的材料在激光辐照下的brdf散射特性模型和计算方法，为后续提高参数测量精度研究提供理论基础，亦可用于研究粗糙表面本身的信息。粗糙表面brdf的描述有很多模型且有很多获取方法，基本可以分为经验模型、纯理论模型和实验模型，但在应用中都较为复杂。虽然可以基于已有模型拟合实验数据，但过程复杂、耗时很多。


技术实现要素：

4.本发明提供了激光光斑测量用漫反射材料brdf的获取方法，用于解决目前在激光辐照下的brdf散射特性模型和计算方法误差较大，且整合现有模型过程复杂，耗时较长的问题。
5.本发明基于表面微元斜率概率分布函数和torrance-sparrow模型理论推导获得材料brdf解析模型，结合实验测量验证模型并得到材料brdf特性，可极大提高粗糙表面brdf特性获取精度和效费比，并降低过程复杂度，满足复杂粗糙漫反射材料结构的特性研究和结构优化设计需求。
6.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
7.激光光斑测量用漫反射材料brdf的获取方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
8.步骤1，根据torrance-sparrow模型，得到漫反射材料随机粗糙表面高度分布函数w和空间相干函数ρ；
9.步骤2，根据漫反射材料随机粗糙表面高度分布函数w获得漫反射材料的微元取向概率分布r：
10.步骤3，基于反射原理，推算出θa和φa的表达式，将(θa,φa)代入微元取向概率分布r中获得材料镜面反射部分概率密度分布函数p；
11.其中，θa为漫反射材料表面微元法线与垂直坐标系z轴的夹角，φa为表面微元法线与垂直坐标系xy平面的夹角；
12.步骤4，将材料镜面反射部分概率密度分布函数p代入torrance-sparrow模型，获
得材料brdf的表达式；
13.步骤5，通过散射光强度测量实验平台，分别测量入射光强度ei(θi,φi)的具体值和散射光强度er(θr,φr)的具体值，获得材料brdf的具体值；
14.将材料brdf的具体值带入所述步骤4中的得到的材料brdf的表达式，并对获得的微元表面平均斜率r和微元表面散射部分数值ρd/π进行最小二乘法拟合，经过多次迭代拟合，获得材料brdf的表达式中的漫反射材料微元表面平均斜率r和微元表面散射部分数值ρd/π的具体值，进而获得材料的brdf具体表达式。
15.进一步地，所述步骤1中，根据torrance-sparrow模型，假设粗糙表面由一系列尺度远大于入射激光波长的对称v型槽所组成，粗糙表面上任一点高度值为正态分布，并选取平均高度值为z＝0，此时漫反射材料随机粗糙表面高度分布函数w和空间相干函数ρ的表达式具体如下：
[0016][0017][0018]
其中，为高度分布均方差，d为漫反射材料的横向尺度；
[0019]
β代表空间相干函数自变量；
[0020]
z代表散射微元的高度值，为垂直坐标系的z坐标；
[0021]
x代表散射微元横向尺度，为垂直坐标系的x坐标。
[0022]
进一步地，所述步骤2中，假定微元表面分布均匀且各向同性，所述微元取向概率分布r的表达式如下：
[0023][0024]
其中，r＝σ/τ为微元表面平均斜率；
[0025]
τ为自相关长度，其数值为自相关函数ρ(β)＝ρ(0)/e时的β值，表示v型槽微元的横向尺度值。
[0026]
进一步地，步骤3中，所述θa和φa的表达式如下：
[0027][0028][0029]
所述材料镜面反射部分概率密度分布函数p的表达式如下：
[0030][0031]
其中，θi为入射光线与垂直坐标系z轴的夹角，φi为入射光线与垂直坐标系xy平面的夹角，θr为反射光线与垂直坐标系z轴的夹角，φr为入射光线与垂直坐标系xy平面的夹角。
[0032]
进一步地，所述步骤4中，假定入射光非偏振，且入射光线反射光线和微元表面法线在同一平面，通过下式获得材料brdf表达式fr(θi,φi,θr,φr如下：
[0033][0034]
其中，gaf为微元的几何遮挡因子；
[0035][0036]rs
为材料表面反射率；
[0037][0038]
n+ik为材料表面复折射率；θi'为微元本地入射角；
[0039][0040]
ρd/π为材料微元表面散射部分表达式；
[0041]
r为材料微元表面平均斜率。
[0042]
进一步地，所述步骤5中，依据散射光强度er(θr,φr)的具体值和入射光强度ei(θi,φi)的具体值之间如下的关系，得到fr(θi,φi,θr,φr)的具体值：
[0043][0044]
其中，l是测量点到微元的距离；
[0045]
lr是单位面积散射辐照度。与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：
[0046]
1、本发明实现了漫反射材料brdf的精确获取，理论推导基于表面微元斜率概率分布函数和torrance-sparrow模型，综合考虑光源特性和材料镜面反射、散射、吸收和遮挡等
因素，并结合大量实验数据进行拟合验证，实现了高逼真度的漫反射材料brdf获取。
[0047]
2、本发明的漫反射材料brdf，只需更改反射率表达式，即可适用于透明介质类材料、吸收类材料和多层透明/吸收复合类材料，。
[0048]
3、本发明的漫反射材料brdf基于非偏振光进行理论推导，通过改变不同偏振态情形的反射率表达式，即可适用于不同的偏振态情况下。
[0049]
4、本发明的漫反射材料brdf，只需更改反射率，即可适用于紫外至红外光谱范围。
[0050]
5、本发明的漫反射材料brdf特性实验数据采用最小二乘法拟合，并通过多次迭代获取相应参数，精度高，使用范围广。
附图说明
[0051]
图1为本发明中漫反射材料在激光入射时双向反射函数brdf的几何关系示意图；
[0052]
图2为本发明中典型吸收材料在设定角度下brdf特性测量和拟合结果比较图；
[0053]
图3为本发明中典型透明介质材料在设定角度下brdf特性测量和拟合结果比较图。
具体实施方式
[0054]
结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步说明。
[0055]
一种激光光斑测量用漫反射材料brdf的获取方法，双向反射函数brdf描述了不同入射和反射角度下粗糙表面反射光强分布。
[0056]
光线的散射如图1所示，假设光线入射至一个法线为的表面微元da并被反射，入射光线的角度为(θi,φi)，反射光线的角度为(θr,φr)，表面微元的角度为(θa,φa)。其中，θi为入射光线与垂直坐标系z轴的夹角，φi为入射光线与垂直坐标系xy平面的夹角，θr为反射光线与垂直坐标系z轴的夹角，φr为入射光线与垂直坐标系xy平面的夹角，θa为表面微元法线与垂直坐标系z轴的夹角，φa为表面微元法线与垂直坐标系xy平面的夹角，则brdf可以定义为
[0057]
上式中是单位面积入射辐照度；
[0058]
是单位面积散射辐照度；
[0059]
φi和φr分别为da面积上入射激光功率和出射激光功率。
[0060]
在激光入射至漫反射材料表面时双向反射函数brdf计算步骤如下：
[0061]
步骤1，根据torrance-sparrow模型，假设粗糙表面由一系列尺度远大于入射激光波长的对称v型槽所组成，粗糙表面上任一点高度值为正态分布，并选取平均高度值为z＝0，此时漫反射材料随机粗糙表面高度分布函数w和空间相干函数ρ可表示为：
[0062]
[0063][0064]
其中，为高度分布均方差，d为漫反射材料的横向尺度；
[0065]
z代表散射微元的高度值，为垂直坐标系的z坐标；
[0066]
x代表散射微元横向尺度，为垂直坐标系的x坐标。
[0067]
步骤2，假定微元表面分布均匀且各向同性，将公式1推导获得微元取向概率分布r：
[0068][0069]
其中，r＝σ/τ为微元表面平均斜率，自相关长度τ为自相关函数ρ(β)＝ρ(0)/e时的β值，表示v型槽微元的横向尺度值。
[0070]
步骤3，基于反射原理，根据推算可获得θa和φa的表达式，将本地微元角度(θa,φa)代入公式3并获得材料镜面反射部分概率密度分布函数p：
[0071][0072][0073][0074]
步骤4，将公式4代入torrance-sparrow模型，假定入射光非偏振，且入射光线反射光线和微元表面法线在同一平面，此时理论推导获得材料brdf分布为：
[0075][0076]
其中，
[0077][0078]
是微元的几何遮挡因子；
[0079][0080]
是材料表面反射率；
[0081]
n+ik是材料表面复折射率；
[0082]
是微元上的本地入射角；
[0083]
ρd/π为材料微元表面散射部分表达式；
[0084]
r为材料微元表面平均斜率。
[0085]
步骤5，实验拟合
[0086]
建立散射光强度测量实验平台，分别测量入射光强度ei(θi,φi)和散射光强度er(θr,φr)关系，并根据公式6计算得到fr(θi,φi,θr,φr)
[0087][0088]
其中，l是测量点距离微元da的距离。
[0089]
实验中，激光源以不同入射角辐照漫反射材料表面，利用散射测量系统获取散射光线在不同角度方向上的强度数据，实验中入射光线和测量散射光线在同一平面且垂直于样品。
[0090]
根据公式6得到fr(θi,φi,θr,φr)，基于上述公式5对测量结果进行最小二乘法拟合，经过多次迭代拟合获得材料微元表面平均斜率r和微元表面散射部分数值ρd/π，进而获得材料的brdf特性参数fr(θi,φi,θr,φr)。
[0091]
图2和图3给出了典型吸收材料和透明介质材料在设定角度下brdf特性理论和实验结果，验证了该反射函数得到的数据与实验结果吻合度较好。
[0092]
该激光光斑测量用漫反射材料brdf中，更换材料对应的反射率表达式，该brdf也可适用于对应材料的计算，例如反射率表达式改为透明介质类材料，该brdf即为透明介质类材料双向反射分布函数。类似的还有吸收类材料和多层透明/吸收复合类材料也可直接更换后使用。
[0093]
该激光光斑测量用漫反射材料brdf只需改变反射率表达式或者不同偏振态情形的反射率表达式，即可适用于紫外至红外光谱范围或不同偏振态情形。