Dmitri Lanevski研究團(tuán)隊(duì)在《Measurement Science and Technology》期刊上發(fā)表題為“Determining the shape of reflectance reference samples for curved surface reflectors"的研究，該研究針對(duì)建筑反射隔熱材料反射率測(cè)量中平面標(biāo)準(zhǔn)樣品與實(shí)際曲面箔材不匹配的問題，提出了可通過增材制造制備的反射率標(biāo)準(zhǔn)樣品表面形狀建模方法，并以鋁箔為例完成方法驗(yàn)證。

摘要

不同材質(zhì)的箔材常被用作反射隔熱材料，眾多制造商希望精準(zhǔn)測(cè)量其光學(xué)特性以評(píng)估并提升材料性能。但測(cè)量中使用的平面反射率標(biāo)準(zhǔn)樣品無法準(zhǔn)確表征反射隔熱材料，導(dǎo)致不同測(cè)量技術(shù)間結(jié)果存在偏差。本研究提出一種可通過增材制造制備的適配反射率標(biāo)準(zhǔn)樣品的表面形狀建模方法，該方法基于反射隔熱材料的反射分布特性研究，以鋁箔為例展開闡述，并通過蒙特卡洛模擬驗(yàn)證了方法的有效性。

材料與使用儀器

實(shí)驗(yàn)材料

粘接在剛性支撐上的平整鋁箔、網(wǎng)格增強(qiáng)型鋁箔、用于模擬的鋁材質(zhì)參數(shù)（波長(zhǎng)5μm時(shí)，折射率n=9.1528，消光系數(shù)k=47.199）

實(shí)驗(yàn)儀器

INGLAS TIR100-2紅外發(fā)射率測(cè)定儀、1850K黑體光源、干涉濾光片、蒙特卡洛（MC）光學(xué)模擬軟件、增材制造設(shè)備（金屬激光燒結(jié)設(shè)備）

INGLAS TIR100-2紅外發(fā)射率測(cè)定儀

實(shí)驗(yàn)過程

INGLAS TIR100-2紅外發(fā)射率測(cè)定儀作為典型商用紅外發(fā)射率測(cè)量設(shè)備，參與了反射隔熱材料反射率的方法比對(duì)實(shí)驗(yàn)，其測(cè)量偏差直接印證了現(xiàn)有平面標(biāo)準(zhǔn)樣品不適用于網(wǎng)格增強(qiáng)型鋁箔等曲面反射材料，為本文研制專用曲面反射率標(biāo)準(zhǔn)樣品提供了重要實(shí)驗(yàn)背景。

1. 反射角分布測(cè)量

對(duì)剛性支撐平整鋁箔，采用3–16μm紅外光、11.5°入射角、12mm光斑尺寸，測(cè)量鏡面反射方向±6°范圍內(nèi)的反射分布，發(fā)現(xiàn)其以鏡面反射為主，光束色散僅±2.5°。

剛性支撐上的平整鋁箔在不同波長(zhǎng)下測(cè)得的反射分布函數(shù)

對(duì)網(wǎng)格增強(qiáng)鋁箔，改用未濾波1850K黑體光源、8°入射角，測(cè)量不同光斑位置的反射分布，其光束色散達(dá)±40°，且光斑位置影響反射分布形狀。

不同光斑位置下測(cè)得的網(wǎng)格增強(qiáng)型鋁箔反射分布函數(shù)

2. 微觀結(jié)構(gòu)確定

基于Torrance–Sparrow反射模型，通過蒙特卡洛模擬擬合實(shí)測(cè)反射分布，獲取平整鋁箔微面元均方根斜率σ=0.0101，漫反射比D=0.0807，鏡面反射比S=2.2528，確定其微觀粗糙度參數(shù)，該尺度難以通過增材制造實(shí)現(xiàn)，需噴砂、拋光等后處理制備。

蒙特卡洛模擬得到的平整隔熱箔反射分布（黑色曲線）與測(cè)角反射計(jì)實(shí)測(cè)結(jié)果（紅色曲線）的擬合結(jié)果。決定系數(shù) R2=0.995

3. 宏觀結(jié)構(gòu)確定

依據(jù)幾何光學(xué)將實(shí)測(cè)反射角分布轉(zhuǎn)換為宏觀面元法向分布，通過三次樣條插值與歸一化提升角度分辨率。

設(shè)定特征距離、相鄰面元銜接、避免自陰影等約束，按公式計(jì)算連續(xù)波形輪廓，構(gòu)建一維波形并沿Y軸拉伸生成三維曲面模型，尺寸適配金屬增材制造工藝。

面向鋁箔的結(jié)構(gòu)化反射率標(biāo)準(zhǔn)樣品三維模型

4. 蒙特卡洛模擬驗(yàn)證

以8°入射角、12mm光斑、5μm波長(zhǎng)對(duì)構(gòu)建的曲面模型進(jìn)行光線追跡，驗(yàn)證不同光斑位置下反射分布的一致性，計(jì)算總半球反射率標(biāo)準(zhǔn)不確定度σ?=1.11，對(duì)應(yīng)偏差4.4%；縮短特征距離或增大光斑尺寸可將偏差降至0.65%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1. 平面反射率標(biāo)準(zhǔn)樣品與實(shí)際褶皺、非平整反射箔材的形態(tài)差異，是造成反射率測(cè)量結(jié)果偏差的關(guān)鍵原因，宏觀結(jié)構(gòu)對(duì)反射角分布的影響大于微觀結(jié)構(gòu)。

2. 結(jié)合Torrance–Sparrow模型與蒙特卡洛模擬，可精準(zhǔn)確定反射率標(biāo)準(zhǔn)樣品的微觀粗糙度與宏觀曲面形狀，構(gòu)建的波形曲面模型反射特性與網(wǎng)格增強(qiáng)鋁箔高度匹配。

3. 該曲面模型可通過現(xiàn)代金屬增材制造（激光燒結(jié)）制備，配合噴砂、拋光后處理能滿足精度要求；優(yōu)化特征距離或光斑尺寸，可將總半球反射率測(cè)量不確定度降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，顯著提升測(cè)量一致性。

4. 各向同性曲面模型（旋轉(zhuǎn)波形單元密排、傅里葉變換構(gòu)建）是后續(xù)優(yōu)化方向，可解決一維波形各向異性導(dǎo)致的對(duì)準(zhǔn)偏差問題。

參考文獻(xiàn)

參考文獻(xiàn)

1：Jaanson P, Manoocheri F, M?ntynen H, et al. Gonioreflectometric properties of metal surfaces[J]. Metrologia, 2014, 51: S314. 

2：Torrance K E, Sparrow E M. Theory for off-specular reflection from roughened surfaces[J]. Journal of the Optical Society of America, 1967, 57(9): 1105-1114.