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反弹光:ROSI能从每个角度看到它

时间:2017-12-15 12:39:49  来源:  作者:

 我们之所以能看到这个世界,那是因为光的反射:几乎所有进入我们眼睛的光都是从某个物体上反弹而来,并随身携带的信息能够反映它在路途上所遇到的物体的性质。但光线撞击对象的角度以及反射光到达观察者的眼睛的角度会对这种信息产生很大的影响。

  正因如此,以不同角度和强度反射的光的性质非常重要,决定了汽车车身的涂漆方式、织物的制造方式、塑料和涂层的着色方式、印刷材料的生产方式、光学系统的设计方式,以及遥感图像的创建方式和解释方式,等等,这样的例子不胜枚举。

  此外,许多用于公共服务和国家安全领域的仪器(如天气和自然灾害的卫星监测或潜在敌对行动的监控)所包含的组件必须根据已知标准进行精确校准,这样才能确保对光反射和散射效果的准确表征*。

  NIST负责反射率的国家测量标准维护,现在即将推出一套显著改进的系统,用于测量最大能到30平方厘米的样品表面在几乎任何方向上的反射和散射光强度和光谱。这套系统被称为机器人光散射仪(ROSI),它的新功能将满足业界和科学界日益增长的需求,并且这些功能在NIST也是前所未有的。

  NIST物理测量实验室的项目负责人Heather Patrick说:“几年前我们开始研发这个系统,在当前版本的ROSI之前,已经逐步实现了比较复杂的设计。我们预计到2017年年中可以为客户提供第一套功能。大约一年后,这套系统的所有功能都将全部实现。”

  ROSI不但可以进行平面内测量,最重要的功能是,还可以进行平面外的测量。(见下图)在前者中,光源、样品和接收器都在同一平面内;在后者中,接收器则处于不同的平面。

Credit: Sean Kelley/NIST

  ROSI的前身是NIST的主力“光谱三功能自动参考反射计(STARR)”,这种仪器无法进行平面外测量。NIST科学家凯瑟琳·库克西(Catherine Cooksey)介绍说:“但是平面外测量对于所有的现场反射测量来说都是很重要的,例如研究海洋色彩或红外线监测热标记。此外,平面外测量对于‘角度表观(gonioapparent)’涂料也至关重要,这种涂料顾名思义会根据观察或照明方向不同而反射不同的颜色,类似于闪光色。例如,有些汽车车身的油漆,当你围着汽车转向不同的方向时所看到的颜色也不一样。”

  此外,ROSI将波长范围从紫外线扩展到近红外线,并且可以提供比STARR多100倍的入射光,从而能够对低反射率的样品进行详细测量,并有可能开辟新的研究领域。

Credit: Sean Kelley/NIST

  ROSI系统结合了三个集成的全自动化组件(见图)。一种是基于激光的光源,可以先将其调谐到特定的所需颜色、强度和偏振,然后再聚焦到要研究的样品上**。当该光束恰好垂直于样品表面照射时,会形成直径为1cm的光斑,但随着光源和样品之间的角度越来越倾斜,这个光斑会变成越来越宽且越来越模糊的椭圆形。

  被测样品安装在ROSI第二个主要组件的末端,这是一个6轴机器臂,可以使样品在相对于光束的几乎任何角度上移动。第三个组件是接收器,可以探测在特定视角从样品散射的光量。这台接收器可以围绕机器人臂的轴线移动,平面外测量正是得益于这种设计。

  这种功能非常重要,利于表征那些长时间运行的、诸如Landsat系列的卫星系统(其用途是映射全球景观变化)用于校准其搭载传感器的材料。那些装置所接收的反射光和散射光会来自各种角度,而观测的质量取决于对这些角度影响信号的方式的了解。这种影响很大:自从Landsat 8在2013年发射以来,已从这个项目网站上下载了超过3000万张图像。

  美国航空航天局(NASA)对其他许多卫星项目都会提供反射率测量,NASA的反射比可以通过每年的NIST校准来溯源到国家反射比。

  ROSI旨在进行三种测量。复杂程度最低的是镜像样本,几乎所有的入射光都以一个角度反射。在2017年稍晚的时候就会实现这第一个功能。第二种测量被称为双向反射分布函数(BRDF),大意就是,入射光照射样品的角度和样品与接收器之间的角度都可以分开单独调整,以测量这些角度变化会如何改变反射/散射光的性质。

  最后第三种测量是,ROSI将能够进行“半球形”测量,即从多个点记录样品反射的光,这些点构成了一个完整的半球,并能产生一个综合的数据集。

  “这种新设备可以为NIST的客户提供更多功能,同时也能扩展NIST自己的研究领域,”Cooksey说,“以前,我们只能在单一的平面内进行测量。现在我们可以逐点测量样品上的全部半球形空间,并且入射光强度也明显增加。这扩大了我们现在可以测量的材料的类型,例如双向反射分布函数(BRDF)非常有趣的涂料,或者非常暗的、黑色的样品。”

  * 散射是有关简单反射的一种现象。当来自单个方向的光撞击物体并偏转到许多不同的方向上时,就会发生这种情况。

  ** 光波长的设定范围可以从约250 nm(可见波长的近紫外线)至2400 nm(短波红外线)。

——编译:李莉萍

本文作者:http://www.yr17.com
 

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