反射测试仪

作者：Pro-Lite Technology Ltd 产品经理 Russell Bailey 和 Labsphere Inc 首席技术专家兼产品营销经理 Greg McKee图1 激光雷达激光雷达是一项成熟的技术，越来越多地部署在消费产品和无人驾驶车辆中。LIDAR 是 Light Detection And Ranging 的首字母缩写词。激光雷达系统已经使用了 50 多年，但直到最近，此类系统的成本仍使它们无法在大众市场中广泛应用。尽管雷达在自动驾驶汽车技术（例如自适应巡航控制系统）中被广泛应用，但LIDAR被认为是驾驶员辅助汽车的首选传感器，因为它可以精确地映射位置和距离，从而检测小物体和3D成像。它使用带有飞行时间感应的脉冲激光和固态光来测量距离。激光雷达系统的表征要求在宽反射率动态范围内补偿传感器对脉冲激光或固态光水平的响应。为此，需要使用已知和稳定反射率的大面积反射率漫反射目标板。Labsphere（蓝菲光学）的Permaflect漫反射涂层目标板，范围从5%到94%的反射率，使汽车制造商 OEM 及其供应商能够在广泛的环境条件下表征和校准其 LIDAR 系统。图2 Labsphere（蓝菲光学）的Permaflect漫反射涂层目标板激光雷达技术激光雷达最基本的形式是激光测距仪，自20世纪80年代以来已广泛应用于军事应用。激光测距仪由一个脉冲激光器(发射器)和一个光电探测器(接收器)组成。测距仪的设计可精确测量距离(所谓的“测距”)，主要测量激光脉冲被反射和接收到探测器所花费的时间(这被称为“飞行时间”测量)。测距仪对准目标物并发射激光脉冲。激光击中目标，被散射，并且一部分反射光由探测器测量。由于光速非常精确，因此可以非常精确地测量测距仪和目标物之间的距离。更先进的激光雷达系统使用相同的原理，但使用光学和移动或多个探测器在二维中映射目标。这些系统通常每秒脉冲数千次，每秒可以探测到数千个点。分析该点云的数据可以创建目标区域的准确映射。激光雷达的工作方式类似于雷达和声纳，它们分别使用无线电波和声波。来自雷达和声纳的数据可用于以类似方式映射周围环境，但激光雷达系统使用的是较短波长的红外辐射，而不是较短波长的无线电波。由于使用的波长较短，激光雷达测量比雷达更准确。部署在自动驾驶汽车上的激光雷达系统通常使用扫描激光束和闪光技术来测量空间中相对于传感器的 3D 点。这些激光雷达系统通常每秒发射数千个激光脉冲，以便车辆可以对行人和其他车辆等障碍物做出反应。激光雷达允许自动驾驶汽车以高精度、高分辨率和长检测距离传送和接收物体和周围环境的反射光。目前正在开发更先进的 AI（人工智能）系统，用来预测车辆和行人路径，并做出相应反应。当您将 LIDAR 数据与定位信息（使用 GPS 或类似信息）相结合时，您就可以全面映射车辆周围环境。激光雷达的性能在很大程度上取决于所使用的激光功率和波长。出于安全原因，可使用的激光功率有一个上限。在没有更高的激光功率的情况下，你可以使用更高灵敏度的探测器，或者使用波长延伸到更远的红外(IR)的激光。由于现有激光器的技术成熟，通常使用的波长为850nm、905nm或1550nm。1550nm激光比其他选择更安全，因为超过1400nm的红外辐射不会再通过眼睛的角膜，所以不会聚焦在视网膜上，但因水对1550nm的光吸收较强，1550nm要求更多的功率来补偿。消费电子产品和自动驾驶汽车中的激光雷达激光雷达作为关键性技能与摄像头系统和其他传感器一起在自动化中应用。激光雷达系统已经在专业测绘和相关应用中商用多年。然而，直到最近几年，激光雷达才变得越来越普遍，这主要是由于自动驾驶汽车应用（无人驾驶汽车）需要更小、更便宜的设备。自上世纪90年代初以来，激光雷达已作为自适应巡航控制的基础应用于半自动驾驶汽车，而激光雷达首次应用于自动驾驶汽车是在2005年。在消费电子领域，最新一代的 Apple iPad Pro（以及现在的 iPhone 12 Pro）已将 LIDAR 传感器集成到其摄像头阵列中，专门用于成像和增强现实 (AR) 应用。LIDAR 传感器可使 iPad 正确解析真实物体相对于由相机阵列成像的 AR 物体的位置。AR 还处于起步阶段，因此 LIDAR 在智能手机和其他消费设备上的应用还有待观察，但人们对为专业应用开发的 AR 产生了极大的兴趣，其中 LIDAR 可以成为非常有用的增强功能。专业 AR 的应用多种多样，从帮助仓库工人找到最快、最安全的路径到所需零件，到辅助工程师了解复杂维修的过程。这些应用中的激光雷达可精确定位和对齐，这对于任何需要高精度的应用都很重要。漫反射目标板在激光雷达系统测试与标定中的作用多年来，Pro-Lite 和Labsphere（蓝菲光学）多年来使用漫反射板一直在支持开发 LIDAR 系统开发。Labsphere（蓝菲光学） 更紧凑的 Spectralon 漫反射目标板通常被军方用于测试激光测距仪。精确校准的光谱反射率与近朗伯（漫反射）反射率相结合，意味着对于这些应用，您有一个准确性、重复性的漫反射目标板可在实验室或现场测试您的系统。用于更大规模测绘或自动驾驶汽车应用的激光雷达系统需要更大的目标区域。由于大多数自然物体都会漫反射光线，因此 Labsphere （蓝菲光学）的漫反射材料是用户的自然选择，可以提供质量保证、现场测试和比较。Labsphere（蓝菲光学） 开发了 Permaflect 目标板，以满足对大面积、耐用和光学稳定目标板材料的需求。大的漫反射目标板尺寸（标准尺寸高达 1.2m x 2.4m）与校准的光谱反射率数据相结合，可以精确测量 LIDAR 范围。在 100m、200m、300m 等长距离测试距离内，则需要更大的目标板来反映目标上具有代表性的点数。Permaflect 是一种喷涂漫反射涂层，可以将其应用于大面积或 3D 形状，从而可以模拟真实世界的物体。现实世界中很少有物体像目标面板一样平坦，因此 Permaflect 涂层物体可以实现可重复的近朗伯反射率水平，例如，可以应用于人体模型以模拟行人。图3 Labsphere（蓝菲光学） Permaflect 喷涂人体模型LIDAR 漫反射目标板通常部署在室外，因此随着时间的推移，当漫反射目标板的表面暴露在大气中时，可以预期校准的反射率值会出现一些漂移。Labsphere （蓝菲光学）的漫反射材料易于清洁。为了考察是否有反射率的下降，可以使用校准的反射率计（“反射率计”），它可原位测量漫反射目标板反射率并将红外反射率的任何变化考虑到内。漫反射目标板反射率的变化将直接影响测量范围。下图显示了不同漫反射目标板反射率水平范围内反射率变化对测量范围的影响。反射率的微小变化会对较低反射率目标板的测量范围产生很大影响。例如，如果目标板的反射率从5%降低到 4%，则原先 300 m的测量范围将下降到30 m。实时了解情况发生的方法是测量目标板的反射率，然后根据此调整修正您的计算。图4 Labsphere （蓝菲光学）漫反射板反射率测试仪（反射率计）图5 在300nm波长下对物体反射率进行距离测量的模拟灵敏度Labsphere（蓝菲光学） 的激光雷达反射仪套件就是为满足这一要求而开发的。这款手持式反射计测量测量在三个波长（使用可互换的 850nm、905nm 或 1550nm LED）中的8°/半球反射率。观看Labsphere 视频库中的短视频。这可用于验证 Permaflect 目标板或测试 LIDAR 系统的任何其他对象的反射率。图6 Labsphere 开发了 Permaflect 漫反射目标板，以满足对大面积、耐用和光学稳定漫反射目标板材料的需求。

产品介绍用于多种材料测试，不仅仅可以测试散射特性，更可以测试透射特性。本产品是专门为各种材料测试漫射特性测试的专业设备，可以提供可见光范围内的每个波长上的光谱信息。Labsphere(蓝菲光学) BRDF测试仪内部结构照明光纤探头和接收光纤探头分别固定在带转盘的悬臂梁上，被测试物体放置在样品台上。入射光通过悬臂梁的圆周转动来改变入射角。接收光纤探头在悬臂梁上转动来改变检测角度，从而得到不同角度下的不同角度反射率或者透射率。接收抬头的固定配置了两个转动电机，不仅仅可以测试3D各个角度的反射率或者透过率，我们叫做BRDF和BTDF。测试水平偏振光和垂直偏振光的反射率我们叫做P光和S光。此设备亦可测试P光和S光的反射透射特性。整个过程在计算机的控制下实现数据的自动采集与处理。Labsphere(蓝菲光学) BRDF测试仪内部结构整个测量设备包括照明系统、探测系统、运动系统和数据处理系统。在测量过程中，通过软件将机械运动部分和测量部分联系在一起，实现测试过程中的一键式操作控制，使用者可以试验操作过程中使用起来更加简便、快速、省时，测试的数据和曲线会实时的记录和反馈出来。产品特征系统整体结构支架采用铝合金型材框架，结构牢固可靠，不易生锈，可以适用于多种环境。光源和探测器支架都采用导轨设计，最大化的减小转动半径，光源和探测系统在两个维度上进行运动，可以在多个维度上进行测量。独立的导轨测试系统满足各个探测器和光源能独自做旋转调整，光源调整转盘安装在300mm直径转台上，可沿Z轴转动，满足各方向精确角度的入射需求。检测装置配置两个旋转电机，满足3D角度反射率或者透射率测试。系统软件操作简单，方便，可以定制化测试角度间隔和测试要求。BRDF测试仪测试结构示意图软件特征功能包括运动控制、光谱仪或者探测器测量系统、全自动测量、数据采集保存。光谱仪控制显示已连接的光谱仪通道，可设置测量光谱间隔，设置波长的曝光和积分时间。通过软件设置运动平台的角度参数和光谱仪参数，点击“测量”可采集一次反射/透射光谱数据。全自动采集：该软件能控制运动平台和光谱仪协同工作，以实现全自动反射/投射数据采集。数据自动保存：每次测量后，光谱仪数据自动记录，数据分为两列，一列是波长信息，一列是反射率或者透射率信息绘制曲线：测试的数据可以在软件中绘制对应的曲线，数据信息一目了然，可以导入固定格式，用于光学软件方针测试分析。订购信息

1. 前言光照射到物体上，由于物体的表面不同，通常会发生两种反射，镜面反射和漫反射，如图所示。图1 光在物体表面的反射示意图对于玻璃、镀膜基板、滤光片等表面光滑的零部件，镜面反射率是评价其光学特性的重要参数，测定反射率最常用的仪器是紫外可见近红外分光光度计。日立紫外产品线丰富，波长测试范围涵盖紫外可见区域到近红外区域，可以满足样品不同波长下的测量需求。2. 应用数据镜面反射根据测量方式的不同，分为相对反射率和绝对反射率。客户需要根据样品特征，选择不同的测量方式。日立具有5°到75°固定入射光角度的镜面反射附件，适用于多种样品的镜面反射测量。图2 绝对反射测量图3 相对反射测量绝对反射率通常使用V-N法进行测量，直接获得样品的反射特性，应用广泛。但是对于低反射率的样品，使用相对反射测量，可以有效扩大动态范围。 2.1 石英基板的相对反射率测量 • 测量附件图4 5o 相对反射附件• 测量结果 使用紫外可见分光光度计U-3900 的5o相对反射附件，以BK7玻璃为参考标准品测定石英基板的相对反射光谱。结果表明石英基板的相对反射率约为80%。 图5 石英基板的相对反射率通过日立U-3900的选配程序包，使用相对反射率得到转换后的绝对反射率，如下图所示。如果直接测定石英基板的绝对反射率，光谱易受噪声影响。图6 石英基板转换后的绝对反射率2.2 铝平面镜和金平面镜的绝对反射率金平面镜表面涂有金膜，该金膜在红外区域具有高反射率。铝平面镜是表面涂有铝膜，在可见光区到近红外区有较高的反射率和较小的角度依赖性。两者常作为相对反射测量时的标准面。• 测量附件图7 5 o绝对反射附件• 测量结果 使用紫外可见近红外分光光度计UH4150的5°绝对反射附件分析了金平面镜和铝平面镜的绝对反射率。 图8 金平面镜和铝平面镜的绝对反射率 结果表明，在可见光区域，铝平面镜的反射率超过80％。金平面镜的反射率在可见光区域较低，但其在近红外区域的反射率较高。因此在测量样品的相对反射率时，如果需要关注近红外区域，可以使用在近红外区具有高反射率的金平面镜作为标准面。 3. 结论样品的镜面反射率有两种测量方式，相对反射率和绝对反射率。对于低反射性样品，使用相对反射附件测量其相对反射率，可以获得信噪比良好的光谱，如玻璃基板上薄膜的反射率。对于通常的样品，可以直接使用绝对反射附件测量其绝对反射率。日立提供多种镜面反射测量附件，还可根据客户需求量身定制，满足各种样品的镜面反射率测量。