Zur Rotationsinvarianz von Reflexionsnormalen

Diffuse Reflexionsmaterialien sind wichtige Kalibrierstandards für eine Vielzahl von Anwendungen im Bereich der optischen Technologien. In einer Studie wurden 16 Reflexionsstandards am neuen robotergestützten Gonioreflektometer der PTB charakterisiert. Dabei wurde die von den Proben reflektierte Strahldichte gemessen während diese eine 360°-Rotation um die Achse der Oberflächennormalen ausführten. Das Reflexionssignal wurde von einem kreisrunden Messbereich, zentrisch auf der Probenoberfläche, 20 mm im Durchmesser, detektiert. Die Messungen wurden bei einer Wellenlänge von 950 nm mit einem Einfallswinkel 45° zur Probennormalen und einem Reflexionswinkel von 0°, d. h. parallel zur Probennormalen durchgeführt.

Die verwendeten Standards können in drei Gruppen eingeteilt werden:

1. Selbsthergestellte Reflexionsnormale basierend auf Bariumsulfatpulver, das sowohl trocken gepresst als auch gespachtelt wird.
2. Opalgläser von der Europäischen Kommission, so genannte BCR A406 Reflexionsstandards.
3. Reflexionsnormale die aus gesintertem PTFE hergestellt wurden, wie z. B. Spectralon oder identische Materialien.

Bei allen untersuchten Reflexionsnormalen waren keine offensichtlichen Oberflächenstrukturen sichtbar. Auch die Inspektion der Proben unter einem Mikroskop zeigte keine Strukturen. Der mögliche Einfluss von Abstandsvariationen zwischen der Probe und der bestrahlenden Lampe bei der Rotation wurde mittels eines Triangulationssensors untersucht. Die Abstandsvariationen für eine volle 360°-Rotation lagen nur im Bereich von 4/100 mm. Der hierdurch hervorgerufene Einfluss auf das Reflexionssignal liegt im Bereich von nur 0,01 % und ist somit vernachlässigbar.

Durchgängig in allen Materialgruppen zeigte sich, dass es sowohl Standards gab, mit durch die Probenrotation hervorgerufenen Varianzen von ca. 0,1 %, was im Bereich der Messunsicherheit liegt. Aber auch Standards mit Abweichungen bis in den Prozentbereich fanden sich in jeder Materialgruppe. Spitzenreiter war hier eine gesinterte PTFE-Probe mit einer Änderung des Reflexionssignals von 2,5 %.

Anhand der durchgeführten Messungen kann das folgende Fazit gezogen werden:

Werden Standardmaterialien für die diffuse Reflexion in gerichteten Geometrien eingesetzt, hängt die absolute Reflexion von der Winkelorientierung der Probe relativ zur Ebene ab, welche durch den einfallenden und reflektierten Strahl aufgespannt wird. Auch kleine Verdrehungen um die Achse der Oberflächennormale können zu Änderungen des reflektierten Strahldichtesignals bis in den Prozentbereich führen. Dies ist vergleichbar bzw. mehr als die Messunsicherheiten von Gonioreflektometern und muss durch geeignete Maßnahmen berücksichtigt werden. Die PTB bietet dazu zukünftig auch Kalibrierungen zur Rotationsabhängigkeit an.

Reflexionsnormal mit Messfleck am Gonioreflektometer