一种用于测量材料光学特性的光学装置

【技术领域】

本发明涉及光学领域，目的在于测量材料的光学特性，特别是光和物质的相互作用，尤其针对生成合成图像的渲染问题，这需要描述表面反射或透射的特点。

【背景技术】

渲染(也称为纹理)是一种计算机过程，可计算在3D建模软件中所创建的场景的2D图像，该软件包括对象和光源，并从精确的角度进行查看。

这指的是借助本文所述装置对材料的光学特性进行测量，从而生成预测性合成图像，这在汽车、建筑、珠宝、家具、装饰、光伏面板、太阳镜、建筑热学等领域尤其有用。

在这种情况下，入射光的光谱基本上是可见的，其中“可见”指的是在250nm(UV)和2500nm(近红外)之间的光谱窗口；同时为了简洁起见，在说明书的其余部分将省略术语“可见”一词。

当物体受到光源照射时，它可以反射、透射或吸收光。光与物体的相互作用是一种复杂的现象，由构成物体的一种或多种材料的光学特性所决定。

为了表征这些光学特性，出现了使用相机的解决方案，但相机是以红、绿、蓝(英文表示为RGB)3种颜色进行工作的，这样就无法在这3种波长范围之外进行光谱分析。

但是，材料的光学特性是通过双向反射分布函数(英文缩写为BRDF)和双向透射分布函数(英文缩写为BTDF)的形式进行描述的。

对于BRDF的测量，根据已知文件US2016161330的描述，可将光源安装在圆弧臂上，该圆弧臂可旋转和平移，从而使得光源可以覆盖以图画平面上的一点为中心的半球外围的任何点。

但是，该文件未公开本发明所述的光谱测量。另外，光源和相机的相对位置受到圆弧臂形状的限制。

已知文件DE102008046988、FR2818377和FR2858412均未提出本发明所述铰接臂的6自由度。

在此提出一种光学测量装置，可通过BRDF和BTDF其中一种方法对所述样本进行测量，以此对物质样本进行光学表征，该物质样本下文简称为“样本”或“材料”。

BRDF和BTDF是数学函数，取决于以下8个参数：

-材料的发光角度，以θ_in(天顶角)和φ_in(方位角)这两个值为特征，表示入射光在球面坐标中的方向，

-材料的观察角度，以θ_out(天顶角)和φ_out(方位角)这两个值为特征，表示反射光在球面坐标中的方向，

-入射波长λ，

-与材料相关的坐标系中点的位置(x，y)，以及

-光的偏振p，可以用Mueller矩阵形式化。

BRDF和BTDF能够根据观察角度以及发光角度来预测物体的外观。

BRDF是非标准化(不保存能量)的概率分布函数，以考虑材料对光的吸收。

由于对上述8个参数中的至少5个参数φ_in、φ_out、θ_in、θ_out和λ进行了精细采样，因此测量光源或材料的光学特性通常是一个漫长的过程。

该采样通常是使用分光测角光度计进行的，该分光测角光度计对样本在所有空间方向上反射的光进行逐点测量。测量时间约为几天。因此，在工业环境中难以使用它们。

另外，由于现有技术的目的通常是生成彩色合成图像，因此RGB这三种颜色就足够了。因此，通常将光源和/或传感器限制在这三个波长范围内，这样会丢失可见窗口其他波长上的所有光谱信息，并且在某些情况下，无法预测渲染的效果，尤其是同色异谱的现象(不同的光谱，相同的RGB颜色)。

反之，本文所述的光学测量装置能够以预先确定的方式，利用在空间上分布的多个传感器，同时测量由样本反射或透射到其周围多个点的光，每个点对应一个传感器。

在这种情况下，传感器是超光谱相机的传感器，能够测量反射光的发光度、亮度和光谱。

超光谱相机与带有光谱仪的常规相机相似，不同之处在于，它一次只能获取一列图像。光谱仪是由透镜和将光分成不同成分的色散元件组成的工具。每个元件都与其波长相关联。

因此，本发明基于多个传感器，能够同时测量需要表征的材料周围发射的光，此外还基于大光谱窗口。该装置可以减少测量时间。

【发明内容】

更准确地说，本发明涉及一种用于测量材料光学特性的光学装置，对于入射光的每个球面方向，能够测量样本(20)周围所有空间球面方向上样本(20)材料的反射光(BRDF)和透射光(BTDF)中的至少一种特性，该装置包括：

-光源(30)，以及

-测角光度计，被配置用于测量以下至少一项：

ο以球面坐标(θ_in，φ_in)表示的入射光方向，

ο以球面坐标(θ_out，φ_out)表示的反射光方向。

其主要特征还包括：

-多传感器成像装置，被配置用于从多传感器成像装置在一组层上观察到的场景的一组点上确定入射光的发射光谱；

测角光度计以测光盒(100)的形式呈现，包括：

-在空间三维上的第一铰接臂(110)，并且被配置用于支撑光源(30)；

-在空间三维上的第二铰接臂(120)，并且被配置用于支撑样本(20)或样本架(10)；

第一铰接臂(110)和第二铰接臂(120)的相对方向是可控制的；

在一实施例中，光学装置还包括色散屏(40)，其位置和空间方向最好是可调节的。

在一实施例中，光学装置还包括存储器，该存储器包括以下至少一项：

-第一对应表，包括在几何标定步骤期间代替样本(20)的镜面反射元件的坐标点(X，Y)与其在色散屏(40)上的反射之间的对应关系，可有多个入射；以及

-第二对应表，包括在光学标定后计算得出的乘法系数；以及

-第三对应表，包括高光谱相机(50)的坐标(U，V)的像素与对应值(θ_in，φ_in，θ_out，φ_out；x和y)之间的对应关系。

测光盒(100)还可选配以下至少一项：

-扫描激光器，被配置用于在检测存在的情况下，抑制光源(30)、第一铰接臂(110)和第二铰接臂(120)中的至少一项；以及

-与光源(30)或多传感器成像装置集成在一起的偏振滤光器，其偏振轴可选地为可变的。

在一实施例中，光学装置被配置使得由多传感器成像装置观察到的场景是：

-上述色散屏(40)

-或样本(20)。

考虑到了光源(30)被配置用于发射入射光束(70)，该光束具有等效直径在0.1mm和20mm之间的圆形截面，可选地为可改变的，并且能够产生高达1,000,000勒克斯。

考虑到了光源(30)包括：

-一组至少3个相邻的LED，其中一个发白色光，一个发深红色光，另一个发紫色光，这样能够在整个可见光谱范围内发光；

-或几个LED，利用半反射薄片将各个光束混合在一起，

光源(30)可选地被配置为片上系统(SOC)。

考虑到了色散屏包括具有高朗伯反射率的含氟聚合物涂层。

考虑到了色散屏的方向是可变的。例如，将屏幕放置在可调节的支架上。优选地，在进行一系列测量之前，一劳永逸地固定色散屏的位置，这样对于所有入射光，其方向都是相同的。

考虑到了多传感器成像装置为高光谱相机(50)。优选地，所述高光谱相机(50)包括一个波长分离装置，能够实现入射光或反射光的光谱分解。

考虑到了高光谱相机(50)被配置用于逐列观察色散屏(40)或样本(20)，并确定高光谱图像每个像素的光谱、亮度和发光度。

考虑到了根据本发明的装置还包括计算器，被配置用于针对与样本相关的坐标系中的一组点(x，y)，计算以下至少一项：

-从入射光的值(θ_in，φ_in)和反射光的值(θ_out，φ_out)到样本(20)的法线的地理图，以及

-全局纹理化的BRDF，这是局部BRDF的集合，样本(20)纹理的每个像素都通过某一局部BRDF来表征。

本发明具有相当高的角分辨率，即大于阈值，这样就可以确定如何在样本的镜面反射峰周围反射光。

本发明能够访问由合适处理软件(例如，由Eclat Digital Recherche公司以商标“Ocean”出售的软件)使用的数据，能够获得真实照片般的渲染，即与拍照同样详细的视觉渲染，且其测量时间比迄今已知的测量时间短。

本发明还可应用于“质量控制”，材料合格控制，例如油漆，特别是光亮的汽车油漆、拉丝铝、金属，缺陷分析，精细比色表征等。

阅读以下通过说明性和非限制性示例给出的描述并参照附图，本发明的其他特征和优点将显得更加清楚。

【附图说明】

图1示出了以样本法线为Z轴，通过球面坐标来表示入射光和反射光，

图2示出了根据本发明所述装置的一实施例，

图3示出了根据本发明所述装置的另一实施例，

图4示出了根据本发明所述测光盒的一实施例，

图5示出了样本上x，y坐标的一组点，以及

图6示出了图5样本的高光谱图像中u，v坐标的一组像素。

【具体实施方式】

本文所述的测量装置能够针对入射光的每个球面方向，测量样本20周围所有空间球面方向上样本20材料的BRDF(反射光)和BTDF(透射光)中的至少一种特性。

所述光学测量装置包括：

-光源30，

-色散屏40，

-多传感器成像装置，

-测角仪(未示出)。

必要时，所述光学测量装置还包括样本20。

对于场景的任意几何图形，都有3D模拟软件，该软件通过计算与所述几何图形相交并随后反射或透射的虚拟光线，来模拟光源的光传播。

本发明能够根据本发明装置测得的BRDF或BTDF，即根据预先进行的材料测量值，来反射所述光线。在3D几何图形的每个点上，如果材质没有进行纹理化处理，则应用相同的光学特性，如果材料已进行纹理化处理，则不应用相同的光学特性(即对于一种材料，不同的x，y点，BRDF或BTDF也有所不同)。同样，如果材料具有微凸纹，则平均BRDF会根据局部法线进行局部修改，该局部法线将按下文所述进行计算。

分光测角光度计：

测角光度计是指可以测量光束角度的任何装置、设备或传感器。

在第一种方案中，如图2和图3所示，可以使用任何已知的测角光度计，被配置用于确定(测量)以下至少一项：

-θ_in，φ_in，以球面坐标表示的入射光方向，

-θ_out，φ_out，以球面坐标表示的反射光方向。

其中：

-θ为天顶角，介于0°(法线方向)和90°(与平面对象相切的方向)之间，

-φ为方位角，

-指数_in对应于照射样本20(或色散屏40，如果适用的话)的入射光束70，以及

-指数_out对应于由样本20反射或透射的入射光束70。

市面上有不同型号的测角光度计，它们可以测量5个参数中的4个，即φ_in，φ_out，θ_in和θ_out。有时φ_in的值被设定为一个固定值，例如0°。

优选地，将分光光度计耦合到测角光度计，这样能够测量第5个参数λ。例如，捕获反射光，然后将其通过光纤传输到分光光度计。

分光测角光度计包括至少一个放置样本20的样本架10。所述样本20由下述光源30以相对于其法线0°至180°之间的角度进行照射。

例如，光源30可沿拱形架60移动。

在第二种方案中，如图4所示，考虑到了根据本发明的装置包括以测光盒100形式呈现的测角光度计，配备有两个机械臂，用于一方面精确地定位和定向样本20，另一方面根据样本20定位和定向光源30，即：

-第一铰接臂110具有6自由度，并且被配置用于支撑光源(30)；以及

-第二铰接臂120具有6自由度，并且被配置用于支撑样本20或样本架10。

这样，每个臂就可以铰接在相应的半球上(如图4中的虚线所示)，半球的所有点都可以使用，并且可在0.018mm以内重复配置。

每个臂都有两个末端，其中一个末端装有抓取装置。例如，抓取装置是夹具，在这种情况下可以通过压缩空气来启动。在一实施例中，每条臂最多可承载7kg。

在这种情况下，用于支撑样本20的臂包括配备有平行夹爪的夹具，该平行夹爪抓紧样本20或样本架10。

考虑到了在光度标定时，夹具也可以过来抓住色散屏40。

在这种情况下，将两条臂布置在平行六面体测光盒100的内部，该平行六面体测光盒100包括平坦的地面和平坦的天花板，测光盒100能够使一条臂的一端固定在天花板上，另一条臂的一端固定在地面上。

考虑到了一个图形界面，能够根据测光盒100的中心以及3条轴的方向，确定样本20上点的位置，以及在坐标系中以球面坐标的方式表示的光源30的位置和方向，其中原点为样本上所确定的点，一条轴为样本的法线，其他两个轴垂直且在样本的平面中。

优选地，臂是黑色的，以避免光的反射，否则会干扰测量。

考虑到了测光盒100配备有扫描激光器(未示出)，该扫描激光器被配置用于抑制光源30，尤其是在检测存在的情况下。实际上，光源30可能非常强大并且存在潜在危险。如果操作员靠近测光盒100，则扫描激光器可用于停止自动装置的运动，以避免被快速运动中的自动装置伤害。

光源30：

考虑到了光源30，该光源30可选地为准直，优选地没有光纤，以发射入射光束70。实际上，光纤会吸收能量(大约400nm到最大450nm)，并且根据光纤的形状具有不同的吸收特性。但是，光纤的形状会根据自动装置的位置和方向而有所不同，这样会干扰测量。

在一实施例中，光源(30)被配置用于发射入射光束(70)，该光束具有直径在0.1mm和20mm之间的圆形截面，并且能够产生高达1,000,000勒克斯。

优选地，考虑到了光源30按照连续谱方式发射，即在整个预设的光谱窗口(在这种情况下为可见窗口)上具有能量的光源。

例如已经使用Xe-Me灯或弧光灯或LED灯进行了一些测试。

优选地，光源30发射白光并且包括一组至少3个相邻的LED，其中一个为白色，一个为深红色和一个为紫色，这样能够在整个可见光谱范围内发光。还考虑到了几个LED，利用半反射薄片将各个光束混合在一起。例如，利用半反射薄片，可将来自两个LED(例如白色和紫色)的光束混合，这样就可以将两个LED放置在不同的位置(例如彼此垂直的表面)，但仍可获得光束，就如同两个LED处于同一位置一样。这可以通过几个LED和几个彼此平行的薄片串联来实现：混合光束第一次穿过第二个半反射薄片，这样可以加入来自第三个LED的光，例如红色。在第二个薄片的出口处，三个LED可以说处于同一位置。因此，这能够在窄光束中的整个可见光谱上具有能量，然后可以将其发散以获得“锐利”的光锥，也就是说，其中所有的光都来自几乎为点状的微小表面，这样已被照亮的样本的每个点仅从一个方向接收光。

例如，光源30是片上系统(SOC)。

在一实施例中，光源30是片上系统，其尺寸基本上等于55mm×55mm。因此，光源30不干扰铰接臂的6自由度。

在一实施例中，光源30包括一组N个相邻的LED，其中N为自然数。例如，N在20至60之间，并且优选地N在30至40之间。在这种情况下，优选具有不同光谱的白光LED，或者是呈现出以波长为中心并且具有明显高斯形状的光谱的LED，该光谱的中间高度的宽度在20nm和40nm之间，每个LED在已知波长的光谱上发光，每个LED都可以选择性地激活。因此，得到高光谱光源30。

优选地，考虑到了至少一个LED是白色的，并且其他LED呈现出以各自波长为中心并且具有明显高斯形状的光谱，该光谱的中间高度的宽度在20nm和40nm之间。优选地，考虑到了至少在可见光谱(380nm至780nm)上分布的一组波长。

例如，考虑到了一组分别位于以下波长中心的LED：380nm,390nm,405nm,415nm,425nm,440nm,450nm,470nm,480nm,490nm,505nm,520nm,550nm,590nm,620nm,630nm,660nm,670nm,730nm。

还考虑到了，替代地或附加地，一组以红外线(780nm至2500nm)，特别是850nm至1550nm为中心的LED。以红外线为中心的LED尤其能够通过LIDAR(扫描激光器)照射材料来测量材料的光学特性以进行模拟，从而可以设计、评估和验证自动驾驶辅助系统和汽车自主驾驶系统。

还考虑到了，替代地或附加地，一组以紫外线(250nm至380nm)为中心的LED。

这样的光源能够获得荧光材料的特征，其发出与接收的波长不同的波长，以及磷光材料的特征，其在接收一定时间之后发光，并且还可能发出与接收的波长不同的波长。

这种LED光源的优点在于其能量效率比常规单色仪的能量效率高得多，因此对于给定的电功率产生的通量要高得多。不过，为了能够在短时间内以良好的精度测量光谱BSDF，需要大量的入射通量，这对于高光谱传感器是必需的。当需要以表面方式表征BSDF时，尤其是有纹理的BSDF时，对高通量的需求就显得尤为重要，因为通量是分布在材料的整个表面上，而不是集中在一个点上。

这种由多个LED组成的光源在配备6自由度的铰接臂的系统中共生，因为它们可以在坐标系中以球面坐标的方式将每个LED精确地定位，其原点为样本上所确定的点，每个LED能够依次被精确定位。这种定位对于测量BSDF，特别是荧光和磷光BSDF而言是必要的，尤其是试图在样本上的一组点表征这些功能时。

因此，可以针对光源30的预定位置和样本20的预定位置计算样本20的一组BRDF和/或BTDF，计算出的BRDF和/或BTDF的每个值对应于选择性激活的光源30的一个或多个LED。例如，我们可以点亮没有呈现光谱重叠的LED(例如：UV和IR；或UV和不具有光谱重叠的可见光)，这样能够在光源的单个位置，针对所用不同光源的波长测量BRDF/BTDF，在BRDF的构建过程中，通过角度插值法考虑了LED的不同位置。实际上，来自不同LED的光的入射角略有不同，因此插值法可以针对所用光源的所有波长的任意角度估算BRDF。

利用这种配置，可以表征荧光或磷光材料的样本。

考虑到了入射光束70的尺寸(等效直径)是可改变的。所选入射光束70的尺寸取决于待光学表征的样本20的材料类型。通常，对于镜面材料，为了获得镜面反射峰处的最佳精度，优选减小入射光束70的尺寸。对于更加散射的材料，即更可能在空间中的所有方向均匀散射光的材料，可以使用较大尺寸的光束。

例如，较大尺寸的入射光束70是表征纹理材料的理想选择，该材料的BRDF可能在样本20中的各个点之间变化很大。由于BRDF是通过发射光与接收光相对比来进行表征的，因此通过采用较大尺寸的光束，对测量值进行平均以提高代表性，这仅在相机50扫描色散屏40而非样本的情况下有效(后述第一实施例)。在下文所述的第二实施例中，高光谱相机50扫描样本20，优选地，是宽光束。在该第二实施例中，由高光谱相机50逐个像素进行测量：测量方面没有平均值。但是，考虑到了通过软件计算对几个相邻像素的多个测量值进行数字平均，从而得出平均值。

考虑到了在高光谱相机50的前面配备线性偏振滤光器，且其方向可以改变。利用Mueller矩阵，可以从3个偏振方向(在这种情况下分别为0°、45°和90°)表征光的偏振，这样能够测量偏振的BRDF或BTDF，例如窗户、挡风玻璃等偏振光，这在模拟汽车和建筑中的建筑玻璃时特别有用。

光源30可配备有偏振滤光器。由于机械臂的作用，组件(光源30+偏振滤光器)绕光源30的光轴旋转，就可以修改入射到样本上的光的偏振方向，而无需使用辅助自动化装置来使滤光器根据光源进行旋转，从而获得相同的效果。

以相同的方式，多传感器成像装置可配备有偏振滤光器。因此，考虑到了将多传感器成像装置安装在机械臂上，然后将样本放置在固定的支架上。多传感器成像装置围绕其光轴的旋转能够修改已分析光的偏振方向，而无需使用辅助自动化装置来使滤光器根据多传感器成像装置进行旋转。

因此，可以借助机械臂本身，通过旋转光源30+偏振滤光器和/或多传感器成像装置+偏振滤光器组件来改变偏振方向。

考虑到了光源30不包含光纤，光纤的缺点是在变形时修改其光吸收并随后启动一个非常精细的标定阶段以补偿该修改，并且需要确保在系统运行期间，光纤的变形是可再现的。

色散屏：

考虑到了色散屏40，优选地具有高朗伯反射率，即大于预定的阈值。例如，考虑到了一种包含氟聚合物涂层的屏幕。

色散屏40可选地是柔性的。

在这种情况下，考虑使用Spectralon(注册商标)的色散屏40；其在空间所有方向上均匀地扩散了大约99％的接收光，这样能够消除色散屏40对样本20完美定向的要求。为简洁起见，在此仅将Spectralon作为色散屏40。另外，在本说明书的其余部分中将省略其“注册商标”字样。

对于第一实施例(下文有所描述)，色散屏40具体化了一组球面方向，样本20向该球面方向反射入射光。对于第二实施例(下文有所描述)，色散屏40在光度标定阶段直接反射来自光源的光。

例如，色散屏40具有平面形状，优选为矩形或凸形，例如部分为圆柱形或至少为半个半球形。

例如，色散屏40的尺寸为200×200mm

样本：

考虑到了样本20，该样本的涂层是一种目的是生成或表征合成图像的材料，比如用于质量控制目的。

作为非限制性示例，考虑到了：

-涂有油漆的金属薄板的样本20，以产生由所述金属薄板制成车身的汽车外观；

-特定玻璃的样本20(例如，偏振的)，以产生由所述特定玻璃制成窗户的建筑物外观；

-其他。

样本20优选是平坦的。它可以包括微凸纹和/或具有纹理。样本的BRDF可以在整个样本中保持恒定，但在微凸纹的情况下局部法线会有所变化。对于纹理，样本的BRDF通过所有BRDF进行表征，它们在样本中的不同点处各异。

优选地，样本20的面积大于2mm

多传感器成像装置：

优选地，考虑到了多传感器成像装置为高光谱相机50。

高光谱相机50生成包括一组叠加层的图像，该叠加层的每一层分别对应于被配置为仅对单个准单色波长敏感的传感器。

在这种情况下，考虑到了50到946层的高光谱相机，其可以分析分辨率约为0.64nm的400到1000nm的光谱窗口，并区分由所观察到的一组物理点发出的光谱，场景为946层，而不是RGB相机的3层。

与RGB相机相比，高光谱相机50的信噪比由层数平分；因此，最好遵守以下至少一项标准：

-大量的入射能量，即大于预设的阈值。在这种情况下，光源30能够发射高达1,000,000勒克斯的光，从而使由色散屏40或样本20材料反射的光包含足够的能量；

-较长的暂停时间，也就是说大于预设的阈值。

通过获取屏幕的高光谱图像，获得了朝着由色散屏40形成的球面方向发射的光的相关信息。

高光谱相机50包括一个物镜，该物镜能够分析所观察场景的单列，即像素的堆叠，在这种情况下为2184个像素，这与分析列和行的CCD传感器不同。高光谱相机50的视场51是扇形的。

在透镜后面，高光谱相机50包括一个波长分离装置，例如棱镜、衍射光栅等，能够进行频谱分解。

在波长分离装置的输出处是一个2D传感器(通常是CCD或CMOS/SCMOS)。

波长分离装置能够针对该列的像素，根据其所有波长(在这种情况下为946层)分离由该像素捕获的入射光，并在其输出处使2D传感器的一行感光。因此2D传感器的宽度必须大于或等于高光谱相机50的层数。

因此，在高光谱相机50的一列上存在空间尺寸，并与2D传感器每行的光谱尺寸相结合。

高光谱相机50安装在用于观察场景的机械装置上，在这种情况下，色散屏40或样本20，例如步进马达，通过围绕垂直轴连续旋转对其进行扫描。

在操作中，高光谱相机50逐列扫描色散屏40或样本20，并给出高光谱图像每个像素的光谱(可以据此推断出亮度和发光度)。高光谱图像的每个像素对应于样本20材料将光反射到空间中的球面方向。然后使观察的球面方向(θ_out，φ_out)与高光谱图像的像素相匹配。

在测光盒100包含扫描激光器的实施例中，高光谱相机50被摆放在所述扫描激光器的视场之外。

标定：

优选地，预先标定根据本发明的装置。

优选地，预备以下至少一项：

-几何标定，旨在获得给定入射角的像素与θ_in，φ_in，θ_out，φ_out值之间的对应关系，以及下文所述第二实施例中的x和y；以及

-光度标定，旨在获得样本和参考物质之间的相对测量值；

标定将在下文介绍。

操作：

使用测量装置测量样本20的BRDF和BTDF中的至少一项，该测量装置包括：对于入射光的每个可能的球面方向，测量在样本20周围空间的所有球面方向上被样本20反射或透射的光80。

为了获得样本20的BRDF，必须测量在不同入射角下由其反射的光80。

因此，存在一种测量过程，该过程包括针对光源30相对于样本20的预设相对位置，记录高光谱相机50的测量结果。

因此，最好准备一种适用于样本20和光源30的相对定位系统。

测量过程是重复的：将光源30相对于样本20的相对位置更改为新的预设相对位置，并记录高光谱相机50的测量结果等等。

为此，考虑到了将光源30安装在连接到计算机的机械系统上，该计算机能够控制修改其相对于样本20的法线的入射角。光源30相对于样本20的法线的取向值可以在0°至180°之间。优选地，对于每次测量，仅光源30的倾斜度改变。

当光源30的取向值在0°至90°之间时，测量样本20向色散屏40反射的光的比例，在这种情况下为材料上方半个半球的一部分；以及

-当光源30的取向值在90°至180°之间时，测量样本20透射到色散屏40的光的比例，在这种情况下为材料上方半个半球的一部分。

可以从与色散屏40所在的半个半球相对的半个半球来照亮半透明的样本20，从而能够测量BTDF。

考虑到了下文所述的两个实施例中的任何一个，其中3个元素(样本20、光源30和高光谱相机50)中的2个是可移动的，而第3个元素是不动的。

优选地，高光谱相机50在三脚架上不动，并借助于步进电机安装成绕垂直轴旋转，就像安装在地球观测卫星上的高光谱相机50一样：卫星是静止的，地球在与卫星相连的坐标系中的视场内旋转。在这种情况下，样本20和光源30是可移动的，例如在上述测光盒100的铰接臂上，这有利于轻松地更换传感器，包括将RGB相机更换为高光谱相机50。

为了使用偏振滤光器进行分析，最好能将高光谱相机50安装在机械臂上。

第一实施例：

在第一实施例中，仅色散屏40被高光谱相机50拍摄，也就是说，样本20未被拍摄。

可以实施绝对几何标定或相对几何标定。

色散屏40被高光谱相机50拍摄以用于样本20的分析以及用于下文所描述的光度标定。

在第一种几何标定中，即绝对几何标定，考虑到了使用高光谱相机50扫描镜面反射元件，在这种情况下用镜子代替了样本20，优选地使用非常小当量直径的光源。

然后可以表征镜面反射峰，并针对多个入射，在镜面反射元件的坐标点x，y与其在色散屏40上的反射之间建立对应关系，以对应表的形式记录在存储器中；然后，对于样本20的测量，应力求以光学方式表征所述样本20在给定入射角具有与镜面完全相同的取向，并且色散屏40处于相同的位置。

这可以通过使用机械臂先定位和定向镜子，然后再以相同的方式定位和定向样本来实现。

更精确地，参考色散屏40由参考镜代替，对于在参考镜上的入射光的不同入射，其光谱菲涅耳系数是已知的。

然后，可以通过简单的关系，一方面在参考镜上测量BRDF，另一方面在待表征的样本50上进行测量，并由此推导出样本50的光谱菲涅耳系数。

在第二种几何标定中，即相对几何标定，不使用具有镜面反射的元件，并且样本20被光源直接照射。在该方案中，考虑对于给定的入射角，确定强度最大的高光谱图像的像素。我们假设大多数材料具有镜面反射峰，而最大的反射峰恰好位于笛卡尔方向上。因此，我们可以选择强度(它是光谱的积分)最大的像素，并认为该像素对应笛卡尔方向。然后我们可以针对多个入射角重复此过程，并在确定的值之间进行插值，从而针对多个入射，在样本20的坐标点x，y与其在色散屏40上的反射之间建立对应关系，以对应表的形式记录在存储器中。

替代地或组合地，可以实施光度标定，在该过程中实现一系列的高光谱图像，为此用参考材料(至少BRDF为已知)代替待表征样本20摆放在其位置上。最好使用一片Spectralon作为参考材料。优选地，参考材料的尺寸大于或等于被光源照射的待表征样本20的区域的尺寸。

然后对于每个高光谱图像，可以将每个像素的高光谱相机50的测量值与参考值进行比较，从而确定要使用的转换，以获得高光谱相机50输出处的BRDF数据。

实际上，在色散屏40上观察到的是参考材料(一片Spectralon)返回的光，其参考值为其BRDF，这是已知的，对于任何反射方向和任何波长，均等于rho/pi，其中rho的反射系数大约为0.99(由Spectralon制造商标定)。因此，对于给定波长，参考材料的BRDF为常数，由此可以获得对应表并记录在存储器中。在这种情况下，将把入射和波长的倍数系数表应用于待表征的样本20。

然后，由于已知应采用哪种转换，可以将样本20的色散屏40上的光谱测量值转换为BRDF的绝对值；即当使用参考材料(一片Spectralon)代替样本20时，将已测光谱转为已知的Spectralon的BRDF值所采用的转换相同。注意，该标定能够校正入射光源30的缺陷以及高光谱相机50、色散屏40和样本20之间的几何构造的缺陷。

在图2所示的第一实施例中，例如色散屏40覆盖所用材料的样本20上方的半球的一部分，在这种情况下为半个半球的一部分，从而使从样本20反射的光80的最大值返回到色散屏40。

在该实施例中，样本20优选地水平放置。

色散屏40被放置在优选地可定向的支架上，该支架的方向在一系列测量之前被一劳永逸地固定，使得它对于所有入射光具有相同的取向。

色散屏40将光反射向高光谱相机50。因此，可以测量从样本20到多个方向的光。

因此，来自光源30的部分入射光被样本20反射80或透射(取决于测量的类型)到色散屏40，并且高光谱相机50被配置用于扫描色散屏40。

样本20因此被放置在色散屏40和光源30之间。

对于光源30相对于样本20的法线的每个方向，高光谱相机50扫描色散屏40，由样本20透射或反射的部分光以反射光束90的形式反射到该色散屏40上。

最后，我们获得与光源30入射一样多的高光谱图像。

样本20优先反射镜面反射峰周围的光。在漫射部分，样本20反射的能量可能很小。因此，可能有必要在不同的采集时间下进行测量。5000ms的采集时间允许在漫射部分中进行准确的测量。采集时间为15ms的测量允许在镜面光斑水平上进行精确测量，而不会发生饱和。替代地，可以考虑通过改变光源30的通量并因此改变其照度(勒克斯数)来获得单个短的采集时间，例如大约15ms。因此，减少了总测量时间，这是强大光源的优势。

高光谱图像的每个像素对应于样本20将光反射到空间中的球面方向。然后使观察的球面方向(θ_out，φ_out)与高光谱图像的像素相匹配。

如上文所考虑，对于光源30的每个入射角，有必要用已知光学特性的色散材料(在这种情况下是一片Spectralon)来代替待测量的样本20，并通过色散屏40的高光谱相机50进行采集。因此，这使得高光谱相机50所需的采集次数增加了一倍。

如果系统的几何配置没有从一种测量变为另一种测量，则可以仅执行一次光度或几何标定，然后对所需的多种材料进行测量。精确的机械臂可以将配置从一种材料复制到另一种材料。因此，在生产阶段，无需在两种不同材料之间重新进行光度标定。

第二实施例：

在第二实施例的第一种方案中，样本20被高光谱相机50拍摄。

对于几何标定，考虑仅使用绝对几何标定，其中样本20被光学参考元件代替，该光学参考元件包括一组特征点，其位置是已知的，例如使用方位标，在这种情况下是黑白格的图案。然后用高光谱相机50扫描所述参考光学元件，并且通过参考光学元件和高光谱相机50的相对位置来获得高光谱图像。环境照明足够的话，不一定必须打开光源30。

为了确定θ_out，φ_out，x，y的值，我们可以检测方格的角，例如根据Zhang的方法(描述见张正友(2000)“一种灵活的相机标定新技术”。IEEE Transactions on patternanalysis and machine intelligence,22(11),1330-1334)。

实际上，将方位标放置在样本20的位置上，这样能够根据每个像素确定高光谱相机50的内在(焦距、透镜引起的变形)和外在(位置和方向)参数。从中得知同样本20相关的坐标系中方格的角的物理坐标，检测与这些角相对应的像素可在图像中为方位标的每个角建立像素的坐标x，y和坐标u，v之间的对应关系。然后，插值可以知道高光谱图像所有像素的x，y。知道高光谱相机50相对于方位标的位置和方向以及物镜的模型(通过张正友法获得)，然后我们推导出高光谱图像每个像素的θ_out和φ_out。

θ_in和φ_in的值是通过考虑光源的模型(来自光源的一组光线的原点和方向)来获得的，每条光线入射到样本点上的方向由模型确定，一旦知道光源30相对于样本20的位置和方向，就可以从中推导出θ_in和φ_in。

因此，我们可以进行几何标定，从而确定色散屏40的哪个像素对应于样本20的哪个反射方向。

优选地，将高光谱相机的每个像素u，v与θ_in和φ_in，θ_out和φ_out，x和y的值之间的对应关系记录在对应表中。

替代地或组合地，可以实施如第一实施例中所述的光度标定，其中参考材料也最好是一片Spectralon。参考材料和高光谱相机50的相对位置与待表征的样本20和高光谱相机50的相对位置相同。

然后产生了一组参考材料的高光谱图像。对于每个像素，所获得的光谱必须等于rho/pi。因此，获得了一张对应表，在这种情况下，如上文所述，是逐个波长和逐个像素的倍数系数表，然后将其应用于待表征的样本20。

在图3所示的第二实施例中，高光谱相机50被配置用于直接扫描样本20，并且可达样本20材料反射的部分光。

在该实施例中，样本20优选地被垂直放置，从而可以通过高光谱相机50在最大立体角下看到它。

在第二实施例的第二种方案中，高光谱相机50拍摄样本20和所谓的“补偿”色散屏，优选同时拍摄，将补偿色散屏放置在样本架上(未示出)，该样本架包括至少两个隔室：一个隔室包括样本20，另一个隔室包括补偿色散屏，这两个隔室是共面的并且高度可调，这样使得样本20和补偿色散屏的上表面是共面的。

优选地，补偿色散屏的尺寸小于或等于样本20的尺寸。

因此，操作原理是由高光谱相机对样本架拍摄一组镜头，该样本架的一个隔室放置补偿色散屏，另一隔室放置色散屏40，然后由高光谱相机对样本架拍摄另一组镜头，该样本架的一个隔室放置补偿色散屏，另一隔室放置样本20。

样本架被配置使得补偿色散屏和样本20在高光谱相机的视场中同时可见，从而使得补偿色散屏对于样本20的每个分析列可见。

样本架还被配置使得光源30能够同时照射样本20和补偿色散屏。优选地，来自光源30的入射光束是宽的，即其宽度大于预设的阈值。优选地，由光源30产生的光通量是高的，即其值大于预设的阈值。

补偿色散屏是同一类型的，并且优选地与用于标定的色散屏40相同。

因此，可以进行差分辐射测量标定，即，计算与补偿色散屏相对应的像素的高光谱图像的一列的平均光谱。这是拍摄样本20的图像，以及拍摄色散屏40而不是样本20的图像。

这两个平均光谱的比较能够为与样本相对应的图像的列计算校正光谱矢量，以便当观察到的是色散屏40时，实际上归并为与所观察到的照明条件相同的照明条件。

由于这种配置，可以补偿光源30的任何偏差和高光谱相机的任何偏差。

对于使用参考镜的几何标定变量，可以使用补偿色散屏以同样的方式来补偿光源30的偏差。

考虑使用吸收滤光器，该吸收滤光器截止一部分光通量，使得补偿色散屏接收光源30发出的所有光通量，而样本20或镜子仅接收所述光通量的一部分。

性能：

下面参考第一或第二实施例描述根据本发明的装置的性能。

·天顶分辨率

天顶分辨率与根据观察角度θ_out的采样有关，该角度直接取决于高光谱相机50的分辨率及其与色散屏40的距离。

人类视觉的角分辨率接近0.03°，这使眼睛可以看到表面的微缺陷，从而区分各种材料。因此，最好是达到0.03°的天顶分辨率。

在这种情况下，所使用的高光谱相机50逐列进行采集，例如1080或2184像素的采集。通过利用高光谱相机50对色散屏40进行采集(第一实施例)，可以获得高达0.03°的角分辨率。该分辨率可以表征镜面反射材料。对于扩散材料，较低的分辨率可能就足够了。

·方位分辨率

方位分辨率取决于高光谱相机50所使用的机动化系统的精度。

因此，最好是达到0.1°的方位分辨率。

·波长分辨率

波长分辨率取决于高光谱相机50的光谱分辨率。在这种情况下，申请人使用的相机在可见光和近红外波段[400nm；1000nm]上拥有0.64nm的波长分辨率。

·高光谱相机50的曝光时间

从样本20反射到色散屏40的光的采集时间取决于高光谱相机50的采集速度和所期望的方位分辨率。

方位分辨率可以是自适应的。它可以根据待表征的材料类型而变化。对于镜面反射材料，则需要更加精确。对于扩散材料，精度可能会降低。对于扩散材料，9°的方位分辨率就足够了。

·BRDF和BTDF的测量时间

对于光源30的每个入射角，为了标定测量，必须产生具有待光学表征的材料的第一高光谱图像和具有光学已知材料的第二高光谱图像，在这种情况下为Spectralon，且在相同的照明条件下。BRDF或BTDF的测量时间取决于对入射光的球面方向的采样。

如果我们考虑从0°到90°光源30的10个取向值，例如以10°的步长，对于各向同性的样本20，BRDF可在2x2x10x10＝400秒即6分40秒内测得，其中：

-2为光源的高通量的采集和低通量的采集；

-2对应于样本20的1个BRDF和Spectralon的1个BRDF；

-10为入射角的取向值的数量，以及

-10为色散屏40的高光谱采集的测量时间(以秒为单位)(用于采集场景的10,000/15＝667列，对应于67°的扫描角度，角度步长为0.1°)

如果先前已对Spectralon进行了测量，则该时间减半(即3分20秒)。

如果样本20的材料是半透明的，则还以光源相对于样本20的方向在90°至180°之间进行测量。

如上所示，对于入射光源30的20个取向值，BTDF可在2x2x20x10＝800秒即13分20秒内测得。

另外，关注样本20可能存在的各向异性的特性可能是有用的。实际上，在样本20在入射平面中旋转的情况下，如果样本20是各向同性的，则不修改所述样本20的外观，而如果是各向异性的，则对其进行修改。

各向异性材料的光学特性需要根据φ_in对光源30的球面方向进行采样。为此，需要围绕其法线旋转待测样本20，或者通过移动和旋转光源来改变φ_in的角度值。该旋转可以是自动的，并且可以取待表征样本20的5个不同方向。然后，有必要增加高光谱相机50的获取数量。在这种情况下，具有10个入射角的光源30的BRDF的测量时间将为2x10x10x5(各向异性材料)+2x10x10x5(Spectralon)＝2000秒，即33分20秒。具有10个入射角的光源30的BTDF的测量时间将为2x10x10x5(各向异性材料)+2x10x10x5(Spectralon)＝2000秒，即33分20秒。反射和透射的材料都可以通过其BRDF和BTDF来表征，这总共需要33分钟20秒(对于BRDF)和33分钟20秒(对于BTDF)，即1小时06分40秒。

计算：

一旦已经使用根据本发明的装置进行了测量，则考虑如下所述的根据第一或第二实施例从所述测量重建BRDF或BTDF，即计算BRDF或BTDF。

在第一实施例中：

在纯说明性示例中，考虑使用各向同性、不透明材料的样本20。

例如，从光源30的10个不同位置进行10次测量(θ_in＝5°，θ_in＝10°，θ_in＝20°，θ_in＝30°，θ_in＝40°，θ_in＝45°，θ_in＝50°，θ_in＝60°，θ_in＝70°，θ_in＝80°)。待光学表征的样本20的材料和已知光学特性的参考材料的高光谱图像采集数量一样多。

对于每种材料(样本20和参考材料)，高光谱图像的数量与照亮样本20的光源30的入射角数量相对应。

对于每个高光谱图像，我们寻找表现出最大能量(即最亮)的像素，并针对相同入射角在样本20的高光谱图像和参考材料的高光谱图像之间建立对应关系。

根据Snell-Descartes定律，我们知道一种材料倾向于优先在镜面反射峰周围反射光，该镜面反射峰对应于光束相对于入射点处与反射镜相切平面的对称性。

因此，具有最大能量的像素对应于视角(θ_out＝θ_in，例如20°；以及φ_out＝φ_in，例如0°)。分析与相对于样本20的法线成20°的光源位置相对应的材料的高光谱图像。

对每个高光谱图像执行同样操作。

然后可找到相应的像素(θ_out＝5°，θ_out＝10°，θ_out＝20°，θ_out＝30°，θ_out＝40°，θ_out＝45°，θ_out＝50°，θ_out＝60°，θ_out＝70°，θ_out＝80°)。

在这基础上，可以在5°和80°之间插入视角，以便找到另一个θ_out。天顶精度可以为0.03°。

同样，可以外推测量值。

在第二实施例中：

在第二实施例中，使用测角计和准直的LED光源30进行测量，该准直的LED光源30照亮待光学表征的样本20的材料。替代地，光源30可沿锥形而色散，这样在样本20上可获得不同的θ_in和φ_in，这对于均质样本而言是有利的，以使单个高光谱图像具有不同的θ_in和φ_in。

与第一实施例中用高光谱相机50扫描色散屏40不同，这里是直接扫描样本20。因此，来自样本20的光，即被样本20反射或透射的光，被直接导向高光谱相机50，也就是说，没有先反射到色散屏40上。

在这种情况下，样本20被光源30照射，该光源30与样本20相交的面积大于预设的阈值。因此，我们希望在一个光点上有一个光斑。

准直光源30的光谱在可见窗口所有波长上都显示出能量。光源具有例如200mm×200mm的尺寸，并且优选地能够提供高达30,000勒克斯的光照明。

优选地，样本20被垂直地布置，然后被光源30照亮，接着被高光谱相机50扫描。

这指的是针对高光谱图像的每个像素，根据上述几何标定程序确定(θ_in，φ_inθ_out，φ_out，x，y)。

首先，由高光谱相机50连续采集样本20的第一高光谱图像(扫描图)。

接着，所述样本20被尺寸大于或等于样本尺寸的色散屏40代替，该色散屏40的取向与样本20完全相同，并且在与样本20相同的照明条件下(相同的相对位置)，连续采集所述分散屏40的第二高光谱图像(扫描图)。

因此，对于高光谱图像的相同像素，在第一幅图像上可得到由样本20反射的光的图像(第一光谱)，而在第二幅图像上可得到在相同的照明条件下(强度、相对方向)，由色散屏40反射的光的图像(第二光谱)。

无论第一实施例还是第二实施例，都可以通过已知的数学公式来计算所述像素的BRDF。在这种情况下，对于波长λ，BRDF是对于波长λ/pi/色散屏40对于波长λ的光谱值的波长λ*rho(色散屏的反射系数)的样本光谱值。

因此，我们获得了每个像素以及多个入射角的θ_in，φ_in，θ_out，φ_out，x，y和λ的值；其中

-x，y为在与样本相关的坐标系中样本点的坐标，以及

-λ为来自光源的入射光束70的波长。

如果样本20是均匀的，即平坦且颜色均匀，则样本20上的点都具有相同的BRDF。然后可以使用相对较少的高光谱图像重建整个样本20的BRDF。

对于均质样本20，考虑使用非准直(分散)光源，这样能够改变单个图像上多个像素的入射角，从而需要的图像数量少于使用准直光源，因此更加快速。

每个场景仅需拍摄一次即可确定θ_in，φ_in和λ的多个值。

同样，如果样本20包含一组同质区域，则可以通过按区域分配标识符和按区域分配BRDF来按区域重建完整样本20的BRDF，这也能够以相对较少的高光谱图像来重建完整样本20的BRDF。

利用这种配置(通过高光谱相机进行观察+样本的每个点被来自单一方向的入射光束照亮)，结果相当于由高光谱相机的像素所见的样本相关表面所确定的样本区域的照度，这样避免了第一实施例中的求平均数。为此，只需确保样本的每个点都被单一方向的光照亮即可，这是准直表面光源或色散点光源的情况，而色散表面光源则非如此。

如果样本20是不均匀的，例如，因为包含不均匀的颜色、图案或纹理，则样本20上的点并非都具有相同的BRDF。

在这种情况下，考虑根据纹理的像素对BRDF进行分类，给定纹理的所有像素都具有相同的局部BRDF。

然后，还可以为每个像素分配一个标识符，该标识符指的是局部BRDF。

因此，我们获得了一个全局纹理化BRDF，这是局部BRDF的集合。

对于局部BRDF，考虑确定与反射能量最大值相对应的θ_out，φ_out值。实际上，高光谱图像的像素与采样变量之间存在对应关系：θ_in，φ_in，θ_out，φ_out，x，y，λ。

这种对应关系是通过一组放置在样本20位置上的方位标预先确定的，这些方位标被光源30照射并被高光谱相机50扫描。方位标之间的间隔是已知的。然后，在高光谱图像上，我们可以确定与方位标相对应的像素之间的间隔，这样能够为每个像素确定在样本20坐标系中样本20对应点的x，y坐标。

借助于方位标，还可以确定高光谱相机50相对于样本20的位置和方向，这样能够为每个像素确定θ_out，φ_out的值。

还可以考虑在所测量的方位标的点之间加入插值步骤。

准直光源的位置和方向是已知的，因此θ_in，φ_in的值是已知的。由于θ_in，φ_in的值是已知的，并且θ_out，φ_out的值已被确定，因此我们可以计算样本20的局部法线。为此，我们可以在样本20的每个点上考虑BRDF的分析模型(例如Phong模型)，该模型必须正确地沿法线方向定向，以与测量数据相对应，并由计算机实现编程。一旦调整完成，我们就可以知道法线的方向，因此可以通过考虑对应于高光谱图像像素u，v的不同点x，y处的不同法线来了解样本的微浮雕。

然后对于每个图像，改变样本20、高光谱相机50和光源的相对取向，并且针对每个新的相对取向记录一组高光谱图像。

对于第一实施例，还可以为高光谱相机50配备偏振滤光器。

因此，可以通过逐个高光谱图像追踪与样本20的给定物理点相对应的像素的位置的可能变化，包括偏振光。

利用这种配置，本发明尤其允许表面分析，例如望远镜镜面。

无论实施例如何，都可以通过计算机来控制相对运动。

本发明不限于上述实施例。例如，高光谱相机50可被配备有一组可互换的单色滤光器的单色相机代替，但是却需更多的操作时间。

本发明允许具有“平面外”配置的组合光谱测量，也就是说，入射光线和反射/透射光线的方向不在同一平面。本发明还允许以精细的分辨率进行纹理化的测量，这允许表征油漆薄片，这在汽车或建筑工业中特别有用。还可以表征半透明的材料并获得正常的卡片测量值；整个操作时间，即BRDF和BTDF的测量时间，是非常令人满意的。

10 样本架

20 样本

30 光源

40 色散屏

50 高光谱相机

51 高光谱相机的视场

60 测角光度计的拱形架

70 来自光源的入射光束

80 样本反射的入射光束

90 色散屏向高光谱相机反射的光束80

100 测光盒

110 第一铰接臂

120 第二铰接臂