Streulichtverteilungsmessungen (BRDF, BTDF)

Das SphereOptics-Labor für Reflexionsmessungen ist mit einem ScatterScope 4-Scatterometer ausgestattet und bietet Messdienste für optische Streuung, entweder BRDF (bidirektionale Reflexionsverteilungsfunktion) oder BTDF (bidirektionale Transmissionsverteilungsfunktion).

Das ScatterScope4 ist ein Tisch-Scatterometer, das sowohl reflektierende BRDF- als auch transmissive BTDF-Streumessungen durchführen kann. Es verwendet mehrere Siliziumdetektoren, die 180° abtasten, um halbkugelförmige und einfallende ebene Streuung sowohl in Reflexion als auch in Transmission zu messen. Es misst mit einer Genauigkeit von 5-10° der Spiegelungsrichtung und ist mit einer sichtbaren NEBRDF (rauschäquivalente BRDF) von 10 E-06 sr-1 spezifiziert. Das SphereOptics ScatterScope 4 ist mit austauschbaren roten (638nm) und NIR (830nm) Laserquellen für Messungen von BRDF, BTDF und TIS (Total Integrated Scatter) ausgestattet.

Materialien lassen sich vereinfacht in zwei optische Kategorien einteilen: spiegelnde und diffus reflektierende Materialien. In der Praxis weisen die meisten Materialien eine stark spiegelnde Reflexion mit einem geringen Anteil an diffuser Reflexion (Streuung) auf, oder sie sind stark diffus, weisen aber einen gewissen Grad an spiegelnder Reflexion (Glanz) auf.

Ein Spiegel ist ein spiegelnder Reflektor, von dem ein Lichtstrahl, der in einem bestimmten Winkel zur Oberflächennormalen einfällt, im genau entgegengesetzten Winkel reflektiert wird. Bei einem Spiegel (oder einer spiegelähnlichen Oberfläche) ist der Einfallswinkel gleich dem Reflexionswinkel. Diese Definition impliziert, dass die Intensität des reflektierten Lichts der Intensität des auf die spiegelnde Oberfläche einfallenden Lichts entspricht, nur vermindert um den Reflexionsfaktor des Materials bei dieser Wellenlänge.

Umgekehrt verhalten sich diffus reflektierende Materialien ganz anders als ein perfekter Spiegel. Anstatt dass das gesamte Licht in die spiegelnde Richtung reflektiert wird, wird das Licht in alle Richtungen reflektiert. Bei einem theoretisch perfekten Lambertschen (oder diffusen) Reflektor folgt die Intensität des reflektierten Lichts dem Lambertschen Cosinusgesetz. Der Schweizer Universalgelehrte Johann Heinrich Lambert (1728-1777) aus dem 18. Jahrhundert beschrieb das Konzept des perfekten diffusen Reflektors in seinem Buch „Photometria“ von 1760. Das Adjektiv „lambertianisch“ ist zum Synonym für matte oder diffuse Materialien geworden. Ein perfekter lambertscher Reflektor reflektiert Licht mit einer Intensität, die mit dem Kosinus des Winkels zur Oberflächennormalen abnimmt, oder mit einer Strahlungsintensität, die in allen Blickrichtungen konstant bleibt.

Ein Scatterometer ist ein Instrument, das den Grad der Streuung oder des Glanzes eines optischen Materials misst. Die üblicherweise verwendeten Messgrößen sind BRDF für den Reflexionsgrad und BTDF für den Transmissionsgrad. BRDF ist das Verhältnis zwischen der einfallenden Bestrahlungsstärke und der reflektierten Strahldichte für einen bestimmten Beleuchtungswinkel und für einen bestimmten Blickwinkel. Die jeweiligen Beleuchtungs- und Erfassungsebenen müssen ebenfalls angegeben werden. In ähnlicher Weise ist BTDF das Verhältnis der einfallenden Bestrahlungsstärke zur durchgelassenen Strahldichte, wiederum für bestimmte Beleuchtungswinkel (und -ebenen) und Blickwinkel. Die Summe der Streuung über eine Hemisphäre wird als integrierte Gesamtstreuung (TIS) bezeichnet.

Streudaten sind ein wichtiger Input für optische Design- und Raytracing-Software. Anstatt davon auszugehen, dass ein Material ein perfekter Spiegel oder ein idealer Diffusor ist, können BRDF- oder BTDF-Datensätze in kommerzielle optische Design-Software eingelesen werden, um deren Modellierungsgenauigkeit erheblich zu verbessern.