一种材料表面漫反射率测量方法与装置
技术领域
本发明属于材料反射率测试技术领域，尤其涉及一种材料表面漫反射率测量方法与装置。
背景技术
漫反射率可以用来表征材料的性质。在物理科学、工农业生产，以及航天、航空、军用武器装备等领域，都有测量涂料、颜料、薄膜等表面涂覆材料，以及其他类型材料表面漫反射率的应用需求。
通常运用积分球1测量材料表面漫反射率的方法，均需要借助标准反射板作为基准，预先借助其他手段对标准反射板的漫反射率进行标定，再用间接测量法对比得出被测材料的漫反射率，如中国专利公开CN108827918A，李晨曦等提出的一种基于积分球1的漫反射光谱测量装置。和中国专利公开CN104833656A，张小龙等提出的一种基于积分球1的材料镜反射率和漫反射率同时测量方法。这些方法还要求控制入射光束全部照射在被测样品/标准反射板上，操作难度大，且标准反射板的标定值会引入测量误差。：
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的第一方面提出了一种材料表面漫反射率测量装置，所述装置包括：积分球、积分球内壁涂层回填模块、被测材料回填模块、光阱和照度计；
所述积分球包括第一面积的入光口，第三面积的另一开口，从积分球入光口处入射照明光，
所述积分球内壁涂层回填模块、所述被测材料回填模块及光阱的受光面积均与另一开口匹配；
所述照度计设置在积分球内壁上，并且照度计的位置离开所述入光口及所述另一开口的位置。
如本发明的第一方面所述的装置，所述积分球内壁涂层回填模块内壁的涂层与积分球内壁涂层相同，有相同的漫反射率，且所述积分球内壁涂层回填模块内壁圆弧曲面与积分球内壁构成统一球面。
如本发明的第一方面所述的装置，所述被测材料回填模块内壁涂有被测材料，该被测材料的漫反射率未知，并且所述被测材料回填模块的内壁圆弧曲面与积分球内壁构成统一球面。
如本发明的第一方面所述的装置，所述积分球内壁涂层回填模块、所述被测材料回填模块及光阱用于在材料表面漫反射率测量过程中先后放置在所述另一开口处；使用照度计读取所述另一开口处分别放置所述积分球内壁涂层回填模块、所述被测材料回填模块及光阱时的照度值。
本发明的第二方面提出一种材料表面漫反射率测量方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1，根据入光口的第一面积和另一开口的第三面积计算出开口比及回填比；
步骤2，将入射光束经第一面积的入光口入射到积分球内部，并产生漫反射；
步骤3，在所述另一开口处先后放置积分球内壁涂层回填模块、光阱和被测材料回填模块，并分别读取在放置积分球内壁涂层回填模块、光阱和被测材料回填模块时照度计的光照读数；
步骤4，根据步骤1计算得到的开口比及回填比，积分球内壁涂层的已知漫反射率和步骤3中得到的照度计的三个光照读数计算出测材料漫反射率。
如本发明的第二方面所述的方法，所述积分球的内壁涂层均匀，使得所述积分球内壁漫反射率一致。
如本发明的第二方面所述的方法，所述积分球内壁涂层回填模块使用在积分球壁上制作另一开口时的开口切除部分制作。
如本发明的第二方面所述的方法，所述被测材料回填模块内壁圆弧曲面与积分球内壁一致。
如本发明的第二方面所述的方法，所述入光口、所述另一开口和所述照度计分被设置在积分球内不同位置，使得所述入射光不能直接照射到所述另一开口和所述照度计的受光面。
采用本发明的技术方案，利用积分球、光阱等工具，采用直接测量法完成材料表面漫反射率的测量，不需借助需提前标定漫反射率的标准反射板。同时也不需测量积分球内壁的漫反射率和照明光源亮度值等参量。方便快捷，测量精度高，适用范围广。
附图说明
图1是本发明放置积分球内壁涂层回填模块的材料表面漫反射率测量装置示意图；
图2是本发明放置光阱的材料表面漫反射率测量装置示意图；
图3是本发明放置被测材料回填模块的材料表面漫反射率测量装置示意图。
其中，1—积分球，2—入光口，3—光束投射区域，4—照度计，5—积分球内壁涂层回填模块，6—光阱，7—被测材料回填模块。
具体实施方式
本发明提出一种材料表面漫反射率测量方法与装置。运用积分球1、光阱、照度计等工具，从积分球1一开口处入射照明光，另一开口处先后(顺序不作规定)放置积分球内壁涂层回填模块5、光阱6和被测材料回填模块7，并分别读取照度计对应读数，计算得出被测材料表面漫反射率测量结果。本发明相比于借助标准漫反射板的间接测量法，具有方便快捷、引入误差小的优点。并且能够避免测量积分球1内壁的漫反射率和照明光源亮度值等参量对最终测量结果的影响。
本发明的第一方面提出了一种材料表面漫反射率测量装置，所述装置包括：积分球、积分球内壁涂层回填模块、被测材料回填模块、光阱和照度计；
所述积分球包括第一面积的入光口，第三面积的另一开口，从积分球入光口处入射照明光，
所述积分球内壁涂层回填模块、所述被测材料回填模块及光阱的受光面积均与另一开口匹配；
所述照度计设置在积分球内壁上，并且照度计的位置离开所述入光口及所述另一开口的位置。
如本发明的第一方面所述的装置，所述积分球内壁涂层回填模块内壁的涂层与积分球内壁涂层相同，有相同的漫反射率，且所述积分球内壁涂层回填模块内壁圆弧曲面与积分球内壁构成统一球面。
如本发明的第一方面所述的装置，所述被测材料回填模块内壁涂有被测材料，该被测材料的漫反射率未知，并且所述被测材料回填模块的内壁圆弧曲面与积分球内壁构成统一球面。
如本发明的第一方面所述的装置，所述积分球内壁涂层回填模块、所述被测材料回填模块及光阱用于在材料表面漫反射率测量过程中先后放置在所述另一开口处；使用照度计读取所述另一开口处分别放置所述积分球内壁涂层回填模块、所述被测材料回填模块及光阱时的照度值。
本发明的第二方面提出一种材料表面漫反射率测量方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1，根据入光口的第一面积和另一开口的第三面积计算出开口比及回填比；
步骤2，将入射光束经第一面积的入光口入射到积分球内部，并产生漫反射；
步骤3，在所述另一开口处先后放置积分球内壁涂层回填模块、光阱和被测材料回填模块，并分别读取在放置积分球内壁涂层回填模块、光阱和被测材料回填模块时照度计的光照读数；
步骤4，根据步骤1计算得到的开口比及回填比，积分球内壁涂层的已知漫反射率和步骤3中得到的照度计的三个光照读数计算出测材料漫反射率。
如本发明的第二方面所述的方法，所述积分球的内壁涂层均匀，使得所述积分球内壁漫反射率一致。
如本发明的第二方面所述的方法，所述积分球内壁涂层回填模块使用在积分球壁上制作另一开口时的开口切除部分制作。
如本发明的第二方面所述的方法，所述被测材料回填模块内壁圆弧曲面与积分球内壁一致。
如本发明的第二方面所述的方法，所述入光口、所述另一开口和所述照度计分被设置在积分球内不同位置，使得所述入射光不能直接照射到所述另一开口和所述照度计的受光面。
实施例
如图1所示，积分球1球心为O点，半径为R，其内壁看作理想漫反射体，漫反射率为ρ
令积分球1内壁表面积S＝4πR
(1)首先计算入射光束经光束投射区域3第0次漫反射后到达M点所产生的0次照度值E
在A点处取小面元dS
依据国际照明协会推荐的传统漫反射计算公式，E
再应用照度第一定律和第二定律，可计算出亮度为L
其中，i
因为i
带入公式1，可得到经小面元dS
对整个光束投射区域3的面积S
从公式6可以看出，到达M点的0次照度值与r
(2)接下来计算如图1所示情况下，即在开口处放置积分球内壁涂层回填模块5时，入射光束经积分球1内壁多次漫反射后到达测量点M的累计照度值。
入射光束经照射到光束投射区域3发生第0次漫反射后，投射到积分球1内壁其他全部区域，且到达各点照度值均为E
第0次漫反射光照射到N点产生的亮度为
经N点处小面元dS
对应在M点产生的照度为
则入射光束经整个积分球1内壁漫反射至M点的1次照度为
从公式10可以看出，到达M点的1次照度值与r
同样地，可以推导得出第n次漫反射光束到达M点的n次照度值为
E
对等比数列求和，可得在放置积分球内壁涂层回填模块情况下，入射光束经积分球1内壁多次反射后在M点产生的累计照度值表达式为
实际上，E
(3)如图2所示，移除积分球内壁涂层回填模块5，并在该开口处设置序号为6的光阱6，光线入射光阱6后的反射率为0。参照公式10，可得这种情况下入射光束经积分球1内壁漫反射至M点的1次照度为
参照公式11、公式12，进一步得到放置光阱6的情况下，入射光束经积分球1内壁多次反射后在M点产生的累计照度值表达式为
同样，E
(4)如图3，移除光阱6，并在该开口处设置被测材料回填模块7，其内壁涂有被测材料，形状与积分球内壁涂层回填模块5相同，面积同样为S
第0次漫反射光照射到L点产生的亮度为
经L点处小面元dS
对应在M点产生的照度为
则入射光束经整个被测材料回填模块漫反射至M点的1次照度为
结合公式13，入射光束经积分球1内壁和被测材料回填模块漫反射至M点的1次照度为
E
可以看出，1次照度值同样与0次漫反射点及M点位置无关。进而可知在放置被测材料回填模块情况下，对于积分球1内壁的任意一点，第0次漫反射光束再经第1次漫反射后在该点产生的1次照度值均为E
进一步地，参照公式11、公式12，得到放置被测材料回填模块情况下，入射光束经积分球1内壁多次反射后在M点产生的累计照度值表达式为
同样，E
(5)对公式12、公式14、公式20求解方程组，得
其中，E
最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。