INGLAS TIR100-2红外发射率测定仪在不平整反射隔热材料中的研究应用

Dmitri Lanevski研究团队在《Measurement Science and Technology》期刊上发表题为“Determining the shape of reflectance reference samples for curved surface reflectors"的研究，该研究针对建筑反射隔热材料反射率测量中平面标准样品与实际曲面箔材不匹配的问题，提出了可通过增材制造制备的反射率标准样品表面形状建模方法，并以铝箔为例完成方法验证。

摘要

不同材质的箔材常被用作反射隔热材料，众多制造商希望精准测量其光学特性以评估并提升材料性能。但测量中使用的平面反射率标准样品无法准确表征反射隔热材料，导致不同测量技术间结果存在偏差。本研究提出一种可通过增材制造制备的适配反射率标准样品的表面形状建模方法，该方法基于反射隔热材料的反射分布特性研究，以铝箔为例展开阐述，并通过蒙特卡洛模拟验证了方法的有效性。

材料与使用仪器

实验材料

粘接在刚性支撑上的平整铝箔、网格增强型铝箔、用于模拟的铝材质参数（波长5μm时，折射率n=9.1528，消光系数k=47.199）

实验仪器

INGLAS TIR100-2红外发射率测定仪、1850K黑体光源、干涉滤光片、蒙特卡洛（MC）光学模拟软件、增材制造设备（金属激光烧结设备）

INGLAS TIR100-2红外发射率测定仪

实验过程

INGLAS TIR100-2红外发射率测定仪作为典型商用红外发射率测量设备，参与了反射隔热材料反射率的方法比对实验，其测量偏差直接印证了现有平面标准样品不适用于网格增强型铝箔等曲面反射材料，为本文研制专用曲面反射率标准样品提供了重要实验背景。

1. 反射角分布测量

对刚性支撑平整铝箔，采用3–16μm红外光、11.5°入射角、12mm光斑尺寸，测量镜面反射方向±6°范围内的反射分布，发现其以镜面反射为主，光束色散仅±2.5°。

刚性支撑上的平整铝箔在不同波长下测得的反射分布函数

对网格增强铝箔，改用未滤波1850K黑体光源、8°入射角，测量不同光斑位置的反射分布，其光束色散达±40°，且光斑位置影响反射分布形状。

不同光斑位置下测得的网格增强型铝箔反射分布函数

2. 微观结构确定

基于Torrance–Sparrow反射模型，通过蒙特卡洛模拟拟合实测反射分布，获取平整铝箔微面元均方根斜率σ=0.0101，漫反射比D=0.0807，镜面反射比S=2.2528，确定其微观粗糙度参数，该尺度难以通过增材制造实现，需喷砂、抛光等后处理制备。

蒙特卡洛模拟得到的平整隔热箔反射分布（黑色曲线）与测角反射计实测结果（红色曲线）的拟合结果。决定系数 R²=0.995

3. 宏观结构确定

依据几何光学将实测反射角分布转换为宏观面元法向分布，通过三次样条插值与归一化提升角度分辨率。

设定特征距离、相邻面元衔接、避免自阴影等约束，按公式计算连续波形轮廓，构建一维波形并沿Y轴拉伸生成三维曲面模型，尺寸适配金属增材制造工艺。

面向铝箔的结构化反射率标准样品三维模型

4. 蒙特卡洛模拟验证

以8°入射角、12mm光斑、5μm波长对构建的曲面模型进行光线追迹，验证不同光斑位置下反射分布的一致性，计算总半球反射率标准不确定度σₐ=1.11，对应偏差4.4%；缩短特征距离或增大光斑尺寸可将偏差降至0.65%。

实验结论

1. 平面反射率标准样品与实际褶皱、非平整反射箔材的形态差异，是造成反射率测量结果偏差的关键原因，宏观结构对反射角分布的影响大于微观结构。

2. 结合Torrance–Sparrow模型与蒙特卡洛模拟，可精准确定反射率标准样品的微观粗糙度与宏观曲面形状，构建的波形曲面模型反射特性与网格增强铝箔高度匹配。

3. 该曲面模型可通过现代金属增材制造（激光烧结）制备，配合喷砂、抛光后处理能满足精度要求；优化特征距离或光斑尺寸，可将总半球反射率测量不确定度降低一个数量级，显著提升测量一致性。

4. 各向同性曲面模型（旋转波形单元密排、傅里叶变换构建）是后续优化方向，可解决一维波形各向异性导致的对准偏差问题。

参考文献

参考文献

1：Jaanson P, Manoocheri F, Mäntynen 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.