真空远紫外波段铝基漫反射板BRDF特性研究

李炳强,曹佃生,林冠宇,刘旭堂

(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033;2.中国石油大学(华东)机电工程学院,山东 青岛 266580)

1 引 言

星载遥感仪器在外太空工作时,会受到大量紫外光照射,高真空、太阳电磁辐射和带电粒子辐射等外部条件均会导致遥感仪器中的光学元件和探测器等敏感器件的性能衰减。在轨定标是星载遥感仪器的重要功能之一,通过有计划的辐射定标,可以对遥感仪器中光学元件和探测器等组件的性能变化进行监测和校正,提高遥感仪器的可靠性和寿命[1-8]。

相对于硫酸钡和聚四氟乙烯等材料,铝基漫反射板的漫反射特性略差,但是作为合金材料,其抗辐照能力具有明显优势,通过在漫反射板工作面镀膜或者对其表面进行化学腐蚀等处理,可以提高其朗伯特性和半球反射率[7-11]。因此,基于铝基漫反射板的在轨定标方法在国内外的遥感仪器中被广泛采用[8,12-14]。在轨定标一般通过太阳或者自带的定标灯作为标准源[2-6],通过漫反射板对标准源的光进行衰减并引入到光路中,比较标准源照度和漫反射板BRDF确定辐亮度值,从而实现遥感仪器的辐射定标。

铝基漫反射板可以在紫外到近红外宽波段范围内工作,用于在轨定标之前,需要对其BRDF特性在实验室中进行精确测量以保证定标数据的可靠性。在可见和近红外波段对漫反射板的BRDF已经有成熟的测量方法,使用FEL灯、氙灯或者卤钨灯等作为光源[8,13,15],漫反射板安装在多维调整架上沿方位轴和俯仰轴间歇转动,可以实现不同角度入射光的测量。国外在可对可见和近红外漫反射板的测量精度可以达到0.5 %[10-11],国内可以达到0.5 %～1 %[4,16-17]。对于远紫外波段,由于缺少稳定的高性能光源,且光传播过程中的衰减相对明显,造成远紫外波段的BRDF测量困难,因此,国内对于漫反射板在远紫外波段的BRDF研究相对较少[16]。

考虑到远紫外BRDF测量的特点,在基于传统BRDF测量方法的基础上,通过对光源进行监测,弥补了远紫外定标光源稳定性不足的缺点。在真空条件下,使用单色仪作为光源,对铝基漫反射板在紫外波段的BRDF进行了测量,为铝基漫反射板在光学遥感仪器中应用提供数据参考。

2 铝基漫反射板BRDF相对测量方法

漫反射板的BRDF是以反射辐亮度和入射辐照度比值进行衡量的,对于确定的漫反射板其BRDF是确定的,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几何关系如图1所示。

图1 漫反射面BRDF几何关系

根据图1的几何关系,漫反射面的BRDF可以表示为[16-18]:

(1)

式中,φi和θi分别表示入射光的方位角和天顶角;φr和θr分别表示出射光的方位角和天顶角;λ为波长,dLr为特定角度下的反射辐亮度;dEi为入射光的辐照度。

使用绝对测量方法在远紫外波段测量漫反板的BRDF存在两个显著的缺点。第一,远紫外波段很难获得稳定的光源,在相邻两次测量间隔内光源的稳定性对测量结果具有明显的影响；第二,由于入射光信号与反射光信号的量级差异有可能达到104,因此,要求探测器在极宽的测量范围内可以实现线性测量,这对探测器的要求很高。针对远紫外BRDF测量特点,为了提高测量的准确性,采用一套光源监测比例补偿的测量方法,基本原理如图2所示。

图2 BRDF测量原理图

光源(氘灯+单色仪)发出的光,经准直系统准直后进入分光系统,分光系统是由直流无刷电机驱动的反射式调制扇结构,转动频率80 Hz,稳定性±0.5 %,占空比50 %,调制扇反射出去的光通过监测光路进入监测探测器,无遮挡的另一部分光进入后续测量光路。入射到待测漫反射板的光发生漫反射,主光路就可以对反射光信号进行测量。考虑到远紫外波段光谱的传输特性,主测量光路和准直光路均采用离轴凹面反射镜和平面反射镜的组合形式设计,反射镜表面镀Al+MgF2膜以提高反射率。分光系统具有稳定转速和占空比,因此,主探测光路和检测光路在同一时刻接收到的能量具有恒定的比例关系,通过这个比例关系就可以对光源的能量衰减进行监测,减少对光源稳定性的依赖。

相对测量BRDF的方法依赖于BRDF值已知的标准漫反射板数据的可靠性,在对待测样品进行测量前,需要首先测量标准漫反射板的BRDF值作为参考,根据其已知的数据可以对待测漫反射板的参数进行求解,从而减少对测量系统结构参数的依赖。对于半球反射率等于ρ的反射面,假设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)

根据BRDF相对测量方法,使用经过准直的均匀单色光,分别照射标准漫反射板和待测漫反射板,获取在相关几何位置下的入射信号和反射信号,就可以获得BRDF的测量结果。对于标准漫反射板和待测漫反射板,BRDF测量结果可以表示为式(3)和式(4):

(3)

(4)

式中,Si(λ)无样品时探测器测量的波长为λ的入射光强度信号值;Sr(φi,θi;φr,θr;λ)是波长λ的入射光经反射镜反射后探测器接收到的光强信号值;Ri和Rr分别为探测器对入射辐通量和反射辐通量的响应;D为探测器感光面距离光源中心的距离;Ar为探测器有效光阑面积;θr为样品入射面法线与探测器感应面法线的夹角。

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通过式(3)和式(4)可得:

(5)

式(5)即为相对测量方法的原理,在入射光信号变化不大的情况下,Si′(λ)/Ri′(λ)和Si(λ)/Ri(λ)分别为测量标准样品和待测样品时的入射光通量。在真空远紫外波段,紫外标准灯光源漂移明显,考虑到测量系统自身稳定性和不同测量时间间隔等因素,需要考虑光源的漂移对测量结果的影响。

根据所采用的测量系统的特性,测量标准漫反射板时,监测光路辐通量可以表示为:

(6)

式中,V1′为测量标准漫反射板时的探测器信号值;τ为监测光路的传输效率;R为监测光路探测器对辐通量的响应。

同理,对待测漫反射板进行测量时,可以得到监测光路辐通量为:

(7)

式中,V1为测量标准漫反射板时的探测器信号值。

由于分光光路结构固定,主光路和监测光路的辐通量比值也是固定的,实际测量时应考虑测量系统暗噪声对测量结果的影响。两次测量的辐通量变化γ可以表示为:

(8)

采用相对方法测量,其精度与样品的BRDF值有关,样品相关参数可以在计量院进行标定。该方法避免了对测量系统的相关参数进行测量,避免了由测量系统本身的结构等因素带来的系统误差,通过测量一次标准样品,然后更换待测样品即可计算待测样品的BRDF值,该方法实用性好,测量过程程控化,测量重复性精度高,易于实现批量化测量。

3 BRDF测量系统

BRDF测量系统主要由准直光路、调制扇组件、监测光路、样品调整台、探测器调整台和主探测光路等部分组成,如图3所示。光源经准直光路进入调制扇组件,通过调制扇的作用一部分光进入监测光路,另一部分光入射到待测样品上。待测样品安装在样品水平位移台上,在样品水平位移台、样品垂直位移台和样品旋转台的支撑下,样品具有2个平移自由度和1个旋转自由度,通过控制这3个自由度可以调整斜入射角度和入射到待测样品的位置。主光路探测器固定在探测悬臂上,通过探测器俯仰转台和探测器方位转台带动主光路探测器转动,可以实现主光路探测器对待测漫反射板在一定半球空间内反射信号的测量。

图3 BRDF测量装置

样品水平位移台和样品垂直位移台承载能力大于5 kg,采用步进电机细分驱动,重复定位精度和绝对定位精度均优于0.05 mm。样品旋转台和探测器范围转台采用相同型号转台,转台台面直径φ100 mm,采用步进电机细分驱动和涡轮蜗杆减速(减速比180),转角精度分别优于0.05°和0.1°。探测器俯仰转台采用φ60 mm台面转台,采用步进电机细分驱动和涡轮蜗杆减速(减速比90),转角精度优于0.1°。

在BRDF测量过程中,主光路探测器随着探测器俯仰转台和范围转台运动,主探测光路的中心应始终指向待测样品同一区域,由于转台角度误差、装调误差和结构弹性变形等因素,探测器指向会存在一定的误差。对主光路探测部分的两位转动部分进行指向精度测试,在测试过程中,指向位置偏离理论中心位置不超过1.27 mm,对应的角度误差为0.66°,满足使用要求。

待测漫反射板为氧化铝材质,为改善其漫反射特性,采用物理磨砂和化学磨砂进行处理,反射面尺寸60 mm×60 mm。

待测样品安装到样品台后,将整个BRDF测量系统放置在真空罐内,通过真空罐外接法兰盘电缆实现测量系统的控制,试验时真空罐的真空度为7×10-3Pa。单色仪出缝作为点光源的起始点,与准直光路的起点重合,光以一定的发散角进入准直系统。测量过程中,使用单色仪输出不同波长的光作为光源,控制样品转台转动,调节样品平移台使被测漫反射板的被测区域移入探测光路中心位置,从而入射光以不同的角度照射待测漫反射板的指定区域,然后控制探测器方位转台和俯仰转台转动,完成不同方位角和天顶角下的BRDF测量。

4 测量结果

4.1 0°入射角时BRDF测量结果

控制样品旋转转台角度,使入射角为0°,进行BRDF测量,测量过程中,探测器俯仰转台(对应天顶角)旋转角度范围分别为0°～100°、170°～270°,探测器方位转台的旋转角度范围为0°～50°、130°～180°,2个转台角度分为两个不连续的角度范围,一方面是为了避免对入射光的遮挡,防止影响测量,另一方面可以避免结构本身带来的运动干涉,保证机构安全运行。探测器的两个转台转动角度间隔10°,每个位置稳定时间3 s,探测器积分时间为1.5 s。

对200 nm波长下待测漫反板的BRDF进行测量,结果如图4和图5所示。图4为漫反射板BRDF测量值分布图,其中圆周表示探测器方位转台的角度值,范围为0°～360°,圆周半径表示探测器俯仰转台的角度值,图中最大天顶角度值为80°。图5为BRDF值的等高线图,表示了在一定的方位角和天顶角下BRDF值的分布情况。图4和图5中,中间区域为被遮挡区域。

图4 正入射漫反射板BRDF测量值分布图

图5 正入射BRDF值等高线示意图

可以看出,在正入射条件下,BRDF值随天顶角的增大而减小。BRDF值与方位角的相关性弱,可见,正入射时待测漫反射板在真空紫外中的散射相对比较均匀,但是BRDF值随方位角的增加有减小的趋势,其散射特性与理想朗伯体还有一定的差异。

同理,对110 nm和150 nm波段漫反射板的BRDF值进行了测量,其BRDF值的分布及特性与200 nm时相似。提取3个波段在90°方位角处的BRDF值进行比较,如图6所示。

图6 正入射3个波长在90°切面处的BRDF值

4.2 30°入射角BRDF测量结果

控制样品旋转转台角度,使入射角为30°,进行BRDF测量,测量过程中,探测器俯仰转台旋转角度范围分别为0°～80°、160°～180°,探测器方位转台的旋转角度范围为0°～100°、170°～270°,两个不连续的角度范围同样是为了避免对入射光的遮挡和结构本身的运动干涉,保证测量正常进行。探测器的两个转台转动角度间隔10°,每个位置稳定时间3 s,探测器积分时间为1.5 s。

对200 nm波长下待测漫反板的BRDF进行测量,结果如图7和图8所示。图中坐标含义与图4和图5相同。

图7 30°入射漫反射板BRDF测量值分布图

图8 30°入射BRDF值等高线示意图

可以看出,入射角为30°时,数据具有近似的对称性,对称面为入射光线光轴与被测漫反射板表面的法线所构成的平面。沿光线反射方向的BRDF值比被测量面法线另外一侧的BRDF值明显偏大,漫反射板表现出明显的镜面反射特性。可见,在远紫外波段漫反射板的朗伯特性随着斜入射的角度增加而变差。

同理,对110 nm和150 nm波段漫反射板30°斜入射的BRDF值进行了测量,其BRDF值的分布及特性与200 nm时相似。提取3个波长下0°方位角切面处的BRDF值进行比较,如图9所示。可以看出,在探测器天顶角与斜入射角度相同时,被测漫反射板的BRDF值最大。3个波长下的BRDF值也均与波长相关,波长越长BRDF值越大,在最大BRDF值处,110 nm和150 nm比200 nm处BRDF值分别下降了31.04 %和16.04 %。且随着天顶角偏离入射角的角度增加,BRDF值下降明显,110 nm、150 nm和200 nm波长下,测量方位角为50°时的BRDF比-30°分别下降23.57 %、22.12 %和21.09 %。

图9 斜入射3个波长在0°切面处的BRDF值

5 结 论

在真空条件下,使用BRDF测量装置,在110 nm、150 nm和200 nm三个波段对铝基漫反射板进行了BRDF值测量实验,通过测量数据对其分布规律和变化趋势进行研究。使用对光源进行监测的方法,提高了相对测量方法的测量精度,减少测量方法对测量装置结构参数的依赖性。通过数据分析,漫反射板的BRDF与波长、入射角度、天顶角等因素相关,随着波长的增加BRDF值呈现降低的趋势,且随波长的减小,下降趋势更明显；当入射角度增加时,漫反射板会表现出显著的镜面反射现象,并且相同波长下随天顶角的增加,BRDF值下降更快。对真空远紫外波段铝基漫反射板的BRDF特性研究可以为光学遥感仪器的辐射定标等工作提供参考。