真空遠紫外波段鋁基漫反射板BRDF特性研究

李炳強,曹佃生,林冠宇,劉旭堂

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,吉林 長春 130033;2.中國石油大學(華東)機電工程學院,山東 青島 266580)

1 引 言

星載遙感儀器在外太空工作時,會受到大量紫外光照射,高真空、太陽電磁輻射和帶電粒子輻射等外部條件均會導致遙感儀器中的光學元件和探測器等敏感器件的性能衰減。在軌定標是星載遙感儀器的重要功能之一,通過有計劃的輻射定標,可以對遙感儀器中光學元件和探測器等組件的性能變化進行監(jiān)測和校正,提高遙感儀器的可靠性和壽命[1-8]。

相對于硫酸鋇和聚四氟乙烯等材料,鋁基漫反射板的漫反射特性略差,但是作為合金材料,其抗輻照能力具有明顯優(yōu)勢,通過在漫反射板工作面鍍膜或者對其表面進行化學腐蝕等處理,可以提高其朗伯特性和半球反射率[7-11]。因此,基于鋁基漫反射板的在軌定標方法在國內(nèi)外的遙感儀器中被廣泛采用[8,12-14]。在軌定標一般通過太陽或者自帶的定標燈作為標準源[2-6],通過漫反射板對標準源的光進行衰減并引入到光路中,比較標準源照度和漫反射板BRDF確定輻亮度值,從而實現(xiàn)遙感儀器的輻射定標。

鋁基漫反射板可以在紫外到近紅外寬波段范圍內(nèi)工作,用于在軌定標之前,需要對其BRDF特性在實驗室中進行精確測量以保證定標數(shù)據(jù)的可靠性。在可見和近紅外波段對漫反射板的BRDF已經(jīng)有成熟的測量方法,使用FEL燈、氙燈或者鹵鎢燈等作為光源[8,13,15],漫反射板安裝在多維調(diào)整架上沿方位軸和俯仰軸間歇轉(zhuǎn)動,可以實現(xiàn)不同角度入射光的測量。國外在可對可見和近紅外漫反射板的測量精度可以達到0.5 %[10-11],國內(nèi)可以達到0.5 %～1 %[4,16-17]。對于遠紫外波段,由于缺少穩(wěn)定的高性能光源,且光傳播過程中的衰減相對明顯,造成遠紫外波段的BRDF測量困難,因此,國內(nèi)對于漫反射板在遠紫外波段的BRDF研究相對較少[16]。

考慮到遠紫外BRDF測量的特點,在基于傳統(tǒng)BRDF測量方法的基礎上,通過對光源進行監(jiān)測,彌補了遠紫外定標光源穩(wěn)定性不足的缺點。在真空條件下,使用單色儀作為光源,對鋁基漫反射板在紫外波段的BRDF進行了測量,為鋁基漫反射板在光學遙感儀器中應用提供數(shù)據(jù)參考。

2 鋁基漫反射板BRDF相對測量方法

漫反射板的BRDF是以反射輻亮度和入射輻照度比值進行衡量的,對于確定的漫反射板其BRDF是確定的,它反映了漫反射板表面的反射特性[15-18]。特定漫反射面的BRDF幾何關(guān)系如圖1所示。

圖1 漫反射面BRDF幾何關(guān)系

根據(jù)圖1的幾何關(guān)系,漫反射面的BRDF可以表示為[16-18]:

(1)

式中,φi和θi分別表示入射光的方位角和天頂角;φr和θr分別表示出射光的方位角和天頂角;λ為波長,dLr為特定角度下的反射輻亮度;dEi為入射光的輻照度。

使用絕對測量方法在遠紫外波段測量漫反板的BRDF存在兩個顯著的缺點。第一,遠紫外波段很難獲得穩(wěn)定的光源,在相鄰兩次測量間隔內(nèi)光源的穩(wěn)定性對測量結(jié)果具有明顯的影響；第二,由于入射光信號與反射光信號的量級差異有可能達到104,因此,要求探測器在極寬的測量范圍內(nèi)可以實現(xiàn)線性測量,這對探測器的要求很高。針對遠紫外BRDF測量特點,為了提高測量的準確性,采用一套光源監(jiān)測比例補償?shù)臏y量方法,基本原理如圖2所示。

圖2 BRDF測量原理圖

光源(氘燈+單色儀)發(fā)出的光,經(jīng)準直系統(tǒng)準直后進入分光系統(tǒng),分光系統(tǒng)是由直流無刷電機驅(qū)動的反射式調(diào)制扇結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)動頻率80 Hz,穩(wěn)定性±0.5 %,占空比50 %,調(diào)制扇反射出去的光通過監(jiān)測光路進入監(jiān)測探測器,無遮擋的另一部分光進入后續(xù)測量光路。入射到待測漫反射板的光發(fā)生漫反射,主光路就可以對反射光信號進行測量?？紤]到遠紫外波段光譜的傳輸特性,主測量光路和準直光路均采用離軸凹面反射鏡和平面反射鏡的組合形式設計,反射鏡表面鍍Al+MgF2膜以提高反射率。分光系統(tǒng)具有穩(wěn)定轉(zhuǎn)速和占空比,因此,主探測光路和檢測光路在同一時刻接收到的能量具有恒定的比例關(guān)系,通過這個比例關(guān)系就可以對光源的能量衰減進行監(jiān)測,減少對光源穩(wěn)定性的依賴。

相對測量BRDF的方法依賴于BRDF值已知的標準漫反射板數(shù)據(jù)的可靠性,在對待測樣品進行測量前,需要首先測量標準漫反射板的BRDF值作為參考,根據(jù)其已知的數(shù)據(jù)可以對待測漫反射板的參數(shù)進行求解,從而減少對測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的依賴。對于半球反射率等于ρ的反射面,假設其具有朗伯散射特性,那么其任意角度的BRDF值是恒定的,即

(2)

根據(jù)BRDF相對測量方法,使用經(jīng)過準直的均勻單色光,分別照射標準漫反射板和待測漫反射板,獲取在相關(guān)幾何位置下的入射信號和反射信號,就可以獲得BRDF的測量結(jié)果。對于標準漫反射板和待測漫反射板,BRDF測量結(jié)果可以表示為式(3)和式(4):

(3)

(4)

式中,Si(λ)無樣品時探測器測量的波長為λ的入射光強度信號值;Sr(φi,θi;φr,θr;λ)是波長λ的入射光經(jīng)反射鏡反射后探測器接收到的光強信號值;Ri和Rr分別為探測器對入射輻通量和反射輻通量的響應;D為探測器感光面距離光源中心的距離;Ar為探測器有效光闌面積;θr為樣品入射面法線與探測器感應面法線的夾角。

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通過式(3)和式(4)可得:

(5)

式(5)即為相對測量方法的原理,在入射光信號變化不大的情況下,Si′(λ)/Ri′(λ)和Si(λ)/Ri(λ)分別為測量標準樣品和待測樣品時的入射光通量。在真空遠紫外波段,紫外標準燈光源漂移明顯,考慮到測量系統(tǒng)自身穩(wěn)定性和不同測量時間間隔等因素,需要考慮光源的漂移對測量結(jié)果的影響。

根據(jù)所采用的測量系統(tǒng)的特性,測量標準漫反射板時,監(jiān)測光路輻通量可以表示為:

(6)

式中,V1′為測量標準漫反射板時的探測器信號值;τ為監(jiān)測光路的傳輸效率;R為監(jiān)測光路探測器對輻通量的響應。

同理,對待測漫反射板進行測量時,可以得到監(jiān)測光路輻通量為:

(7)

式中,V1為測量標準漫反射板時的探測器信號值。

由于分光光路結(jié)構(gòu)固定,主光路和監(jiān)測光路的輻通量比值也是固定的,實際測量時應考慮測量系統(tǒng)暗噪聲對測量結(jié)果的影響。兩次測量的輻通量變化γ可以表示為:

(8)

采用相對方法測量,其精度與樣品的BRDF值有關(guān),樣品相關(guān)參數(shù)可以在計量院進行標定。該方法避免了對測量系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進行測量,避免了由測量系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)等因素帶來的系統(tǒng)誤差,通過測量一次標準樣品,然后更換待測樣品即可計算待測樣品的BRDF值,該方法實用性好,測量過程程控化,測量重復性精度高,易于實現(xiàn)批量化測量。

3 BRDF測量系統(tǒng)

BRDF測量系統(tǒng)主要由準直光路、調(diào)制扇組件、監(jiān)測光路、樣品調(diào)整臺、探測器調(diào)整臺和主探測光路等部分組成,如圖3所示。光源經(jīng)準直光路進入調(diào)制扇組件,通過調(diào)制扇的作用一部分光進入監(jiān)測光路,另一部分光入射到待測樣品上。待測樣品安裝在樣品水平位移臺上,在樣品水平位移臺、樣品垂直位移臺和樣品旋轉(zhuǎn)臺的支撐下,樣品具有2個平移自由度和1個旋轉(zhuǎn)自由度,通過控制這3個自由度可以調(diào)整斜入射角度和入射到待測樣品的位置。主光路探測器固定在探測懸臂上,通過探測器俯仰轉(zhuǎn)臺和探測器方位轉(zhuǎn)臺帶動主光路探測器轉(zhuǎn)動,可以實現(xiàn)主光路探測器對待測漫反射板在一定半球空間內(nèi)反射信號的測量。

圖3 BRDF測量裝置

樣品水平位移臺和樣品垂直位移臺承載能力大于5 kg,采用步進電機細分驅(qū)動,重復定位精度和絕對定位精度均優(yōu)于0.05 mm。樣品旋轉(zhuǎn)臺和探測器范圍轉(zhuǎn)臺采用相同型號轉(zhuǎn)臺,轉(zhuǎn)臺臺面直徑φ100 mm,采用步進電機細分驅(qū)動和渦輪蝸桿減速(減速比180),轉(zhuǎn)角精度分別優(yōu)于0.05°和0.1°。探測器俯仰轉(zhuǎn)臺采用φ60 mm臺面轉(zhuǎn)臺,采用步進電機細分驅(qū)動和渦輪蝸桿減速(減速比90),轉(zhuǎn)角精度優(yōu)于0.1°。

在BRDF測量過程中,主光路探測器隨著探測器俯仰轉(zhuǎn)臺和范圍轉(zhuǎn)臺運動,主探測光路的中心應始終指向待測樣品同一區(qū)域,由于轉(zhuǎn)臺角度誤差、裝調(diào)誤差和結(jié)構(gòu)彈性變形等因素,探測器指向會存在一定的誤差。對主光路探測部分的兩位轉(zhuǎn)動部分進行指向精度測試,在測試過程中,指向位置偏離理論中心位置不超過1.27 mm,對應的角度誤差為0.66°,滿足使用要求。

待測漫反射板為氧化鋁材質(zhì),為改善其漫反射特性,采用物理磨砂和化學磨砂進行處理,反射面尺寸60 mm×60 mm。

待測樣品安裝到樣品臺后,將整個BRDF測量系統(tǒng)放置在真空罐內(nèi),通過真空罐外接法蘭盤電纜實現(xiàn)測量系統(tǒng)的控制,試驗時真空罐的真空度為7×10-3Pa。單色儀出縫作為點光源的起始點,與準直光路的起點重合,光以一定的發(fā)散角進入準直系統(tǒng)。測量過程中,使用單色儀輸出不同波長的光作為光源,控制樣品轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動,調(diào)節(jié)樣品平移臺使被測漫反射板的被測區(qū)域移入探測光路中心位置,從而入射光以不同的角度照射待測漫反射板的指定區(qū)域,然后控制探測器方位轉(zhuǎn)臺和俯仰轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動,完成不同方位角和天頂角下的BRDF測量。

4 測量結(jié)果

4.1 0°入射角時BRDF測量結(jié)果

控制樣品旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺角度,使入射角為0°,進行BRDF測量,測量過程中,探測器俯仰轉(zhuǎn)臺(對應天頂角)旋轉(zhuǎn)角度范圍分別為0°～100°、170°～270°,探測器方位轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角度范圍為0°～50°、130°～180°,2個轉(zhuǎn)臺角度分為兩個不連續(xù)的角度范圍,一方面是為了避免對入射光的遮擋,防止影響測量,另一方面可以避免結(jié)構(gòu)本身帶來的運動干涉,保證機構(gòu)安全運行。探測器的兩個轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角度間隔10°,每個位置穩(wěn)定時間3 s,探測器積分時間為1.5 s。

對200 nm波長下待測漫反板的BRDF進行測量,結(jié)果如圖4和圖5所示。圖4為漫反射板BRDF測量值分布圖,其中圓周表示探測器方位轉(zhuǎn)臺的角度值,范圍為0°～360°,圓周半徑表示探測器俯仰轉(zhuǎn)臺的角度值,圖中最大天頂角度值為80°。圖5為BRDF值的等高線圖,表示了在一定的方位角和天頂角下BRDF值的分布情況。圖4和圖5中,中間區(qū)域為被遮擋區(qū)域。

圖4 正入射漫反射板BRDF測量值分布圖

圖5 正入射BRDF值等高線示意圖

可以看出,在正入射條件下,BRDF值隨天頂角的增大而減小。BRDF值與方位角的相關(guān)性弱,可見,正入射時待測漫反射板在真空紫外中的散射相對比較均勻,但是BRDF值隨方位角的增加有減小的趨勢,其散射特性與理想朗伯體還有一定的差異。

同理,對110 nm和150 nm波段漫反射板的BRDF值進行了測量,其BRDF值的分布及特性與200 nm時相似。提取3個波段在90°方位角處的BRDF值進行比較,如圖6所示。

圖6 正入射3個波長在90°切面處的BRDF值

4.2 30°入射角BRDF測量結(jié)果

控制樣品旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺角度,使入射角為30°,進行BRDF測量,測量過程中,探測器俯仰轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度范圍分別為0°～80°、160°～180°,探測器方位轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角度范圍為0°～100°、170°～270°,兩個不連續(xù)的角度范圍同樣是為了避免對入射光的遮擋和結(jié)構(gòu)本身的運動干涉,保證測量正常進行。探測器的兩個轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角度間隔10°,每個位置穩(wěn)定時間3 s,探測器積分時間為1.5 s。

對200 nm波長下待測漫反板的BRDF進行測量,結(jié)果如圖7和圖8所示。圖中坐標含義與圖4和圖5相同。

圖7 30°入射漫反射板BRDF測量值分布圖

圖8 30°入射BRDF值等高線示意圖

可以看出,入射角為30°時,數(shù)據(jù)具有近似的對稱性,對稱面為入射光線光軸與被測漫反射板表面的法線所構(gòu)成的平面。沿光線反射方向的BRDF值比被測量面法線另外一側(cè)的BRDF值明顯偏大,漫反射板表現(xiàn)出明顯的鏡面反射特性。可見,在遠紫外波段漫反射板的朗伯特性隨著斜入射的角度增加而變差。

同理,對110 nm和150 nm波段漫反射板30°斜入射的BRDF值進行了測量,其BRDF值的分布及特性與200 nm時相似。提取3個波長下0°方位角切面處的BRDF值進行比較,如圖9所示。可以看出,在探測器天頂角與斜入射角度相同時,被測漫反射板的BRDF值最大。3個波長下的BRDF值也均與波長相關(guān),波長越長BRDF值越大,在最大BRDF值處,110 nm和150 nm比200 nm處BRDF值分別下降了31.04 %和16.04 %。且隨著天頂角偏離入射角的角度增加,BRDF值下降明顯,110 nm、150 nm和200 nm波長下,測量方位角為50°時的BRDF比-30°分別下降23.57 %、22.12 %和21.09 %。

圖9 斜入射3個波長在0°切面處的BRDF值

5 結(jié) 論

在真空條件下,使用BRDF測量裝置,在110 nm、150 nm和200 nm三個波段對鋁基漫反射板進行了BRDF值測量實驗,通過測量數(shù)據(jù)對其分布規(guī)律和變化趨勢進行研究。使用對光源進行監(jiān)測的方法,提高了相對測量方法的測量精度,減少測量方法對測量裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的依賴性。通過數(shù)據(jù)分析,漫反射板的BRDF與波長、入射角度、天頂角等因素相關(guān),隨著波長的增加BRDF值呈現(xiàn)降低的趨勢,且隨波長的減小,下降趨勢更明顯；當入射角度增加時,漫反射板會表現(xiàn)出顯著的鏡面反射現(xiàn)象,并且相同波長下隨天頂角的增加,BRDF值下降更快。對真空遠紫外波段鋁基漫反射板的BRDF特性研究可以為光學遙感儀器的輻射定標等工作提供參考。