Messung der dreidimensionalen Reflexionsindikatrix von Standard-Reflexionsmaterialien

Das optische Erscheinungsbild, englisch „Appearance“, von Gegenständen und deren Oberflächen prägt unsere Umwelt und beeinflusst stark die Wahrnehmung von Objekten im tagtäglichen Umgang. Eine einheitliche, d.h. homogene Appearance ist dabei ein wichtiges Qualitätsmerkmal für eine Vielzahl von Industrieprodukten. Daher benötigen eine Vielzahl von Branchen eine reproduzierbare und quantifizierbare Messtechnik um in diesem Bereich eine hohe Produktqualität gewährleisten zu können.

In der Reflektometrie werden sowohl die spektrale als auch die räumliche Verteilung der von festen Materialien diffus reflektierten Strahlung gemessen und durch die Angabe von Kennzahlen charakterisiert. In der Praxis werden Reflexionsmessungen an diffus reflektierenden Oberflächen relativ zu einem Normal durchgeführt. Solche diffusen Reflexionsstandards sind im Bereich der Radiometrie und Photometrie vielseitig genutzte Kalibriernormale um kommerzielle Messgeräte wie z.B. Colorimeter, Spektrophotometer und Leuchtdichtekameras an die absolute Reflexionsskala der Messgröße Strahldichtefaktor anzubinden.

Als Reflexionsnormale werden sogenannte Weißstandards aus unterschiedlichen Materialien wie z.B. PTFE (Polytetrafluorethylen), Opalglas, Keramik und Bariumsulfat verwendet, welche eine hohe diffuse Reflexion aufweisen. Der perfekt reflektierende Diffusor (PRD) mit einem Strahldichtefaktor von 1 und einer lambertschen Reflexionscharakteristik kann jedoch materiell nicht realisiert werden. Für reale Reflexionsnormale gibt es teilweise starke Abweichungen vom idealen Verhalten. Diese Abweichungen können sowohl eine spektrale als auch eine winkelabhängige Komponente bzgl. der Einstrahlungs- und Beobachtungsrichtung haben.

Mithilfe des robotergestützten Gonioreflektometers der PTB ist es möglich dreidimensionale Reflexionsverteilungen bei beliebigen Einstrahlungsrichtungen zu messen. In einer ersten Studie wurden hierzu für die vorab genannten Standardmaterialien dreidimensionale Reflexionsverteilungen, sogenannte Reflexionsindikatices, für Einstrahlungswinkel von 0°; 22,5°; 45° und 67,5° gemessen. Als ein Beispiel ist das gemessene Reflexionsverhalten für ein mattes Opalglas in der Abbildung dargestellt. Der winkelaufgelöste Strahldichtefaktor formt für größere Einstrahlungswinkel eine sattelförmige Struktur. In der Vorwärtsrichtung (Φ_r = 180°) ergibt sich ein Strahldichtefaktor von bis zu 3,94 für einen Reflexionswinkel θ_r = 80° bei einem Einstrahlwinkel von θ_i = 67,5°. In der Rückwärtsrichtung und senkrecht zur Einstrahlung ergibt sich reduzierte Reflexion mit Werten weit geringer als eins, was dem PRD entsprechen würde.

Die durchgeführten Messungen bilden den Grundstock für eine Datenbank, die über das Internet Nutzern aus Forschung und Industrie zugänglich gemacht werden soll.

[1]  A. Höpe, S. Teichert, K.-O. Hauer, Appearance characterisation of reference materials for reflectometry, Measurement of the reflection indicatrix, Proceedings of NEWRAD 2008, 10th International Conference on New Developments and Applications in Optical Radiometry, Daejeon, Republic of Korea, 13. - 16. October 2008