Gonio-espectrofotómetro para medidas de BRDF de patrones de reflectancia y objetos gonio-aparentes

Rabal Almazor, Ana María
Campos Acosta, Joaquín (dir.) ; Pons Aglio, Alicia (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2014
(Física Aplicada)


Resumen: En los últimos años, diferentes organizaciones internacionales de estandarización, como la Comisión Internacional de Iluminación (CIE), han estado trabajando sobre la problemática de la medida de la apariencia de los objetos, cuestión de extremada importancia en nuestra sociedad por las implicaciones de todo tipo que se derivan de ella. El concepto de apariencia está relacionado con los atributos perceptivos de color, brillo, translucidez y textura de los objetos; por tanto, la medida de la apariencia tiene que estar relacionada con la de esas otras magnitudes y sus posibles interrelaciones. En el caso del color de objetos, su medida se basa en la de la reflectancia o la transmitancia y en la correspondiente escala (observadores patrones), siendo una ciencia que a priori está bien establecida y para la que existe instrumentación disponible comercialmente. Sin embargo, existen todavía problemas de diversa índole pendientes de resolución. Por una parte, los materiales modernos de estructura superficial compleja (gonioaparentes) producen percepciones de color muy diferentes en distintos ángulos de incidencia y de observación. Ello quiere decir que ya no basta con la especificación del color para una geometría determinada, como se hace hasta ahora, sino que hay que medir su reflectancia o transmitancia en varios ángulos de incidencia y observación e intentar predecir la dependencia de las coordenadas de color en función de la geometría, lo que se podría denominar como goniocolorimetría y que está desarrollándose en la actualidad con los esfuerzos de diversos grupos de investigación en el mundo, entre los que está el grupo en el que se ha desarrollado esta tesis. Por otra parte, en las medidas de reflectancia total que se realizan en la actualidad, si se mide un mismo patrón blanco de reflectancia en distintos instrumentos con esfera integradora, aún aplicando los factores de corrección correspondientes, se obtienen valores de reflectancia ligeramente diferentes que no son achacables a errores experimentales de medida, sino que podrían deberse a la falta de lambertianidad del patrón. La solución a los problemas anteriores se encuentra en la medida de la Función Bidireccional de la Distribución de Difusión (BSDF, Bidireccional Scattering Distribution Function) usando un gonioespectrofotómetro. La función bidireccional de la distribución de scattering se define como el cociente entre la radiancia de un objeto en cada dirección del espacio y la irradiancia que recibe. Indica por tanto, cómo un objeto distribuye espacialmente la luz que refleja o transmite, por lo que es la característica básica a determinar para establecer la apariencia física de los objetos: color, brillo, textura y translucidez. Este tipo de medida presenta aún problemas importantes desde el punto de vista metrológico como es la realización de patrones de medida para su calibración o el establecimiento de una ecuación de medida que considere todas las fuentes de incertidumbre y que permita, en consecuencia, trazar este tipo de medida al sistema internacional de unidades. El conocimiento de la BSDF de los materiales es también muy importante en otras áreas científicas y tecnológicas, puesto que la distribución espacial de la luz tras interaccionar con un objeto bien por reflexión, bien por transmisión, se puede relacionar con la estructura del mismo. Algunos ejemplos de áreas tecnológicas en las que estas medidas son importantes son: visión artificial, desarrollo de nuevos materiales (gonioaparentes, materiales fotónicos, pigmentos de interferencia), reproducción de objetos en pantallas, etc. En consecuencia la medida de la BSDF es una herramienta de análisis muy útil para investigar estructuras superficiales (rugosidad, por ejemplo) o de lámina delgada sobre una superficie si se mide la distribución reflejada, o para ver estructuras en el volumen de objetos que no absorban totalmente la radiación, si se mide la distribución transmitida. Asimismo, medidas de BSDF con baja incertidumbre sirven para establecer modelos de interacción entre la radiación y los objetos y/o refinar los modelos existentes. En los últimos años, entidades de calado internacional como el National Institute for Standards and Technology (NIST) de los Estados Unidos, el National Physical Laboratory (NPL) del Reino Unido, el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) de Alemania o el Laboratoire National de Essais (LNE) de Francia han construido nuevos goniómetros para la medida de la BSDF, lo que indica la importancia que se otorga a este tema de investigación por parte de estas entidades de reconocido prestigio en este campo. Además esto pone de manifiesto que el tipo de medidas goniométricas que hay que realizar no se puede llevar a cabo completamente con instrumentos comerciales existentes, pues es necesario medir la BSDF en todo el espacio, al tiempo que considerar variaciones locales sobre la superficie del objeto de esta función y tener en cuenta los posibles efectos de fluorescencia de dicho objeto. Es necesario, en consecuencia, poder iluminar el objeto de forma espectral, en cualquier dirección de incidencia, y analizar la radiación reflejada y/o transmitida en todas las direcciones del espacio, teniendo la capacidad de realizar un análisis espectral de la radiación reflejada y siendo capaz de distinguir la zona superficial de la que proviene. El Laboratorio de Fotometría, Radiometría y Fibras Ópticas del Instituto de Óptica Daza de Valdés del CSIC es el Laboratorio de Referencia a nivel regional, nacional e internacional para las magnitudes relacionadas con la medida de radiación óptica, y Laboratorio Asociado al Centro Español de Metrología (CEM). Es además miembro de pleno derecho del Comité Consultivo para la Fotometría y la Radiometría del Comité Internacional de Pesas y Medidas, CIPM, y firmante del Acuerdo de Reconocimiento Mutuo de Laboratorios Nacionales, ratificado por los países miembros de la Convención del Metro. En consecuencia, la misión fundamental de este laboratorio es la de desarrollar, mantener y difundir los patrones para medida de radiación óptica. Por ello en esta tesis nos hemos fijado como objetivo el diseño y construcción de un gonioespectrofotómetro para la medida de la BSDF (BRDF en el caso de materiales opacos) de materiales. El sistema desarrollado, que se ha denominado GEFE (acrónimo para GonioEspectroFotómetro Español), permite realizar medidas absolutas, de baja incertidumbre, de la función bidireccional de la distribución de reflectancia (BRDF) tanto dentro como fuera del plano de incidencia. El diseño es muy versátil tanto en el sistema de iluminación como en el de detección pues presenta características que, hasta donde nuestro conocimiento abarca, son únicas hasta la fecha. El sistema de iluminación es fijo y, en principio, no presenta ninguna restricción respecto al tipo de fuente a utilizar: banda ancha o monocromática, coherente o no coherente; no existiendo tampoco restricciones respecto al rango espectral. Este hecho unido a la capacidad de análisis espectral incorporado también en la detección, permite estudiar los efectos que las diferentes fuentes de radiación pueden tener sobre todo tipo de superficies, en particular las estructuradas. Como se decidió que el sistema de iluminación fuera fijo, se precisa que la muestra pueda orientarse en las distintas direcciones del espacio con respecto a la dirección de iluminación. De ahí la necesidad de utilización de un brazo robotizado de seis ejes, que permite realizar las medidas en todos los ángulos de incidencia, garantizando en todo momento la constancia espacial de la proyección del área de medida. Una de las claves para el diseño de GEFE ha sido poder caracterizar las regiones próximas a la incidencia normal y a ángulos rasantes; por tanto, la minimización de ángulos muertos ha sido un objetivo prioritario en nuestro diseño. Después de valorar diferentes posibilidades, se optó por incorporar un sistema periscópico, cuyo elemento inferior es semirreflejante. Esta solución permite realizar medidas de la radiación reflejada en incidencia normal y hacer que la oclusión de la muestra no sea total en ninguna dirección de observación. Finalizado el diseño y construcción, se ha procedido a la caracterización radiométrica de todo el instrumento, con el objetivo de determinar la ecuación y la incertidumbre de medida del instrumento. Al ser un instrumento único por alguna de sus características, ha sido necesario desarrollar rutinas y procedimientos de caracterización específicos para determinar sus propiedades radiométricas. Los datos espectrales de la función bidireccional de la distribución de reflectancia (BRDF) llevan toda la información necesaria para describir, por ejemplo, el color de una superficie. Sin embargo, su dependencia simultánea con la longitud de onda y las direcciones de iluminación y observación la convierten en una función de la que es difícil obtener conclusiones directas. Por ello hemos propuesto formas de representación que permitan obtener información inmediata sobre el color u otros atributos. Además se ha aplicado a la BRDF la técnica de Análisis de Componentes Principales (PCA) para expresar esta función de una manera más intuitiva y manejable. Se ha demostrado que, separando la parte espectral de la parte geométrica, se puede encontrar un número pequeño de espectros cuya combinación lineal reproduce la BRDF sin pérdida de información. Los resultados obtenidos han demostrado tener una enorme riqueza informativa, esencial para obtener modelos físicos, y proporcionar datos de gran potencial e interés para la industria. Por último, el instrumento se ha usado para la realización de patrones de factor de reflectancia 0:45 y reflectancia hemisférica y en la caracterización de materiales gonioaparentes. Estos materiales tienen la característica de cambiar considerablemente de tono de color en función de las condiciones geométricas de irradiación/observación, por lo que tienen un gran interés en la industria, sobre todo en automoción, ofreciendo asimismo muchas posibilidades para su aplicación en seguridad. BIBLIOGRAFIA CONSULTADA [1] M. R. Pointer, N. J. Barnes, P. J. Clarke and M. J. Shaw, A new goniospectrophotometer for measuring gonio-apparent materials, Coloration Technology, 121, pp. 96-103 (2005). [2] C. Bordier, C. Andraud and J. Lafait, Model of light scattering that includes polarization effects by multilayered media, J. Opt. Soc. Am. A, 25, pp. 1406-1419 (2008). [3] J. C. Stover, Introduction to Light Scatter, en Optical scattering: Measurement and analysis, (SPIE Press, Bellingham, Washington, USA, 1995), pp. 19-22. [4] F. E. Nicodemus, J. C. Richmond and J. J. Hsia, Geometrical considerations and nomenclature for reflectance, Natl. Bur. Stand., Monogr. 160 (1977). [5] G. J. Ward, Measuring and modeling anisotropic reflection, Computer Graphics, 26, pp. 265-272 (1992). [6] L. Simonot, Photometric model of diffuse surfaces described as a distribution of interfaced Lambertian facets, Applied Optics, 48, pp. 5793-5801 (2009). [7] R. L. Cook and K. E. Torrance, A reflectance model for computer graphics, Technical report, Computer Graphics (ACM), 15, (1981). [8] B. T. Phong, Illumination for computer generated pictures, Commun. ACM, 18, pp. 311-317 (1975). [9] X. D. He, K. E. Torrance, F. X. Sillion and D. P. Greenberg, A comprehensive physical model for light reflection, Technical report, Computer Graphics, 25 (1991). [10] J. F. Blinn, Models of light reflection for computer synthesized pictures, Computer Graphics, 11, pp. 192-198 (1977). [11] E. P. F. Lafortune, S. C. Foo, K. E. Torrance and D. P. Greenberg, Nonlinear approximation of reflectance functions, Technical report, Cornell University (1997). [12] S. H. Westin, H. Li and K. E. Torrance, A comparison of four BRDF models, Technical report PCG-04-02, Cornell University (April 2004). [13] A. Ngan, F. Durand and W. Matusik, Experimental analysis of BRDF Models, Eurographics Symposium on Rendering (2005). [14] I. G. E. Renhorn and G. D. Boreman, Analytical fitting model for rough-surface BRDF, Opt. Express, 16, pp. 12892-12898 (2008). [15] T. A. Germer and C. C. Asmail, Goniometric optical scatter instrument for out-of-plane ellipsometry measurements, Rev. Sci. Instrum., 70, pp. 3688-3695 (1999). [16] G. Obein, R. Bousquet and M. E. Nadal, New NIST reference goniospectrometer, Proc. SPIE, 5880, pp. 241-250 (2005). [17] D. Hünerhoff, U. Grusemann and A. Höpe, New robot-based gonioreflectometer for measuring spectral diffuse reflection, Metrologia, 43, pp. S11-S16 (2006). [18] F. B. Leloup, S. Forment, P. Dutré, M. R. Pointer and P. Hanselaer, Design of an instrument for measuring the spectral bidirectional scatter distribution function, Applied Optics, 47, pp. 5454-5467 (2008). [19] R. Baribeau, W. S. Neil and E. Côté, Development of a robot-based gonioreflectometer for spectral BRDF measurement, J. Mod. Opt., 56, pp. 1497-1503 (2009). [20] K. J. Dana, S. Nayar, B. van Ginneken and J. J. Koenderink, Reflectance and texture of real-world surfaces, ACM Transactions on Graphics (TOG), 18, pp. 1-34 (1999). [21] R. Lu, J. J. Koenderink and A. M. L. Kappers, Optical Properties (Bidirectional Reflectance Distribution Function) of Shot Fabric, Applied Optics, 39, pp. 5785-5795 (2000). [22] J. Ren and J. Zhao, Measurement of a bidirectional reflectance distribution and system achievement based on a hemi-parabolic mirror, Optics Letters, 35, pp. 1458-1460 (2010). [23] D. H. Goldstein and D. B. Chenault, Spectropolarimetric reflectometer, Optical Engineering, 41, pp. 1013-1020 (2002). [24] M. Andersen, Validation of the performance of a new bidirectional videogoniophotometer, Light. Res. Technol., 38, pp. 295-313 (2006). [25] E. Chorro, E. Perales, F. M. Matínez-Verdú and J. Campos, Colorimetric and spectral evaluation of the optical anisotropy of metallic and pearlescent samples, J. Mod. Opt., 56, pp. 1457-1465 (2009). [26] J. Campos, J. L. Fontecha, A. Pons, P. Corredera y A. Corróns, Measurement of standard aluminium mirrors, reflectance versus light polarization, Meas. Sci. Technol., 9, pp. 256-260 (1998). [27] JCGM 100:2008, Evaluation of measurement data - Guide to the expression of uncertainty in measurement, BIPM (2008). [28] J. L. Simonds, Application of Characteristic Vector Analysis to Photographic and Optical Response Data, J. Opt. Soc. Am., 53, pp. 968-971 (1963). [29] J. M. López-Alonso, J. Alda and Eusebio Bernabéu, Principal-Component Characterization of Noise for Infrared Images, Applied Optics, 41, pp. 320-331 (2002). [30] A. Ferrero, J. Alda, J. Campos, J. M. López-Alonso and A. Pons, Principal components analysis of the photoresponse nonuniformity of a matrix detector, Applied Optics, 46, pp. 9-17 (2007). [31] W. Erb and W. Budde, Properties of standard materials for reflection, Color Res. & Appl., 4, pp. 113-118 (1979). [32] J. C. Zwinkels and W. Erb, Comparison of absolute d/0 diffuse reflectance factor scales of the NRC and the PTB, Metrologia, 34, pp. 357-363 (1997). [33] Art. Springsteen, Standards for the measurement of diffuse reflectance-an overview of available materials and measurement laboratories, Analytica Chimica Acta, 380, pp. 379-390 (1999). [34] E. A. Early, P. Y. Barnes, B. C. Johnson, J. J. Butler, C. J. Bruegge, S. F. Biggar, P. S. Spyak and M. M. Pavlov, Bidirectional reflectance round-robin in support of the Earth observing system program, J. Atmos. Ocean. Technol., 17, pp. 1077-1091 (2000). [35] A. Höpe and K.-O. Hauer, Three-dimensional appearance characterization of diffuse standard reflection materials, Metrologia, 47, pp. 295-304 (2010). [36] A. Pons, J. Campos, J. A. Méndez and J. Martín, Reflectance changes in white reflectance standards measured in different instruments with 0/d geometry, Proceedings of 26th Session of the CIE, CIE 1.178:2007, 1, pp. D2-46-D2-49 (2007). [37] W. Budde, Standards of reflectance, J. Opt. Soc. Am., 50, pp. 217-220 (1960). [38] F. W. Billmeyer Jr., D. L. Lewis and J. G. Davidson, Goniophotometry of Pressed Barium Sulfate, Color Engineering, 9, p. 31 (1971). [39] W. Erb, Requirements for Reflection Standards and the Measurement of Their Reflection Values, Applied Optics, 14, pp. 493-499 (1975). [40] CIE, A Review of Publications on Properties and Reflection Values of Material Reflection Standards, CIE Publication 46, Vol. TC-2.3 (Bureau Central de la Commission Internationale de l'Eclairage, Paris, France, 1979). [41] V. R. Weidner and Jack J. Hsia, Reflection properties of pressed polytetrauoroethylene powder, J. Opt. Soc. Am., 71, pp. 856-861 (1981). [42] S. Holopainen, F. Manoocheri, E. Ikonen, K-O. Hauer and A. Höpe, Comparison measurements of 0:45 radiance factor and goniometrically determined diffuse reflectance, Applied Optics, 48, pp. 2946-2956 (2009). [43] H. von Helmholtz, Handbuch der Physicogischen Optik, pp. 168-169 (Leopold Voss, Leipzig, 1867). [44] F. J. J. Clarke and D. J. Parry, Helmholtz Reciprocity: its validity and application to reflectometry, Lighting Research and Technology, 17, pp. 1-11 (1985). [45] W. H. Venable, Comments on reciprocity failure, Applied Optics, 24, p. 3943 (1985). [46] M. J. Kim, Verification of reciprocity theorem, Applied Optics, 27, pp. 2645-2646 (1988). [47] J. J. Greffet and M. Nieto-Vespertinas, Field theory for generalized bidirectional reflectivity: derivation of Helmholtz's reciprocity principle and Kirchhoff's law, J. Opt. Soc. Am. A, 15, pp. 2735-2744 (1998). [48] H. Okayama and I. Ogura, Experimental verification of nonreciprocal response in light scattering from rough surfaces, Applied Optics, 23, pp. 3349-3352 (1984). [49] H. J. Eom, Energy conservation and reciprocity of random rough surface scattering, Applied Optics, 24, pp. 1730-1732 (1985). [50] CIE, Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance, CIE Publication 130, Vol. TC-2.14 (Bureau Central de la Commission Internationale de l'Eclairage, Paris, France, 1998). [51] R. Corey, M. Kissner and P. Saulnier, Coherent backscattering of light, Am. J. Phys., 63, pp. 560-564 (1995). [52] T. J. Papetti, W. E. Walker, C. E. Keffer and B. E. Johnson, Coherent backscatter: Measurement of the retroreflective BRDF peak exhibited by several surfaces relevant to ladar applications, Proc. SPIE, 6682, p. 66820E (2007). [53] W. H. Richardson, Bayesian-Based Iterative Method of Image Restoration, J. Opt. Soc. Am., 62, pp. 55-59 (1972). [54] F. J. Maile, G. Pfaff and P. Reynders, Effect pigments-past, present and future, Progress in Organic Coatings, 54, pp. 150-163 (2005). [55] M. Mikula, M. Ceppan and K. Vasko, Gloss and goniocolorimetry of printed Materials, Color Res. & Appl., 28, pp. 335-342 (2003). [56] M. E. Nadal and E. A. Early, Color Measurements for Pearlescent Coatings, Color Res. & Appl., 29, pp. 38-42 (2004). [57] G. Müller, J. Meseth, M. Sattler, R. Sarlette and R. Klein, Acquisition, Synthesis, and Rendering of Bidirectional Texture Functions, Computer Graphics Forum, 24, pp. 83-109 (2005). [58] P. Dutré, K. Bala and P. Bekaert, Advanced Global Illumination (A K Peters, New York, 2006). [59] J. Dorsey, H. Rushmeier and F. Sillion, Digital Modelling of Material Appearance (Elsevier, New York, 2007). [60] H. J. Streitberger and K. F. Dössel, Automotive Paints and Coatings (Wiley- VCH, Weinheim, 2008). [61] G. Baba, Gonio-Spectrophotometric Analysis of Pearl-Mica Paint, Die Farbe, 37, pp. 99-110 (1990). [62] T. A. Germer and M. E. Nadal, Modeling the appearance of special effect pigment coatings, Surface Scattering and Diffraction for Advanced Metrology, Proc. SPIE, 4447, pp. 77-86 (2001). [63] R. Besold, Metallic effect-Characterization, parameter and methods for instrumentally determination, Die Farbe, 37, pp. 79-85 (1990). [64] C. A. Nicholls, Visual and Instrumental Characterisation of Special-Effect Colours, PhD Thesis, University of Leeds, Leeds (2000). [65] M. E. Nadal and T. A. Germer, Colorimetric characterization of pearlescent coatings, Proceedings of AIC Color, pp. 757-760 (2001). [66] DIN standard 6175-2, Colour tolerances for automobile lacquer finishes, Part 2: Effect lacquer finishes, 2001. [67] DIN 6175-2, Tolerances for automotive paints, Part 2: Goniochromatic paints (Farbtoleranzen für Automobillackierungen-Teil 2: Effektlackierungen), 2001. [68] B. Parker, Color shift of light interference pigments, Surf. Coat. Aust., 39, pp. 10-13 (2002). [69] F. Leloup, P. Hanselaer, M. Pointer and J. Versluys, Characterization of gonio-apparent colours, Proceedings of AIC Color, pp. 515-518 (2005). [70] E. Kirchner, G. J. Van den Kiebomm, L. Njo, R. Supér and R. Gottenbos, Observation of Visual Texture of Metallic and Pearlescent Materials, Color Res. & Appl., 32, pp. 256-266 (2007). [71] W. R. Cramer, Reflections on the right angle, European Coating Journal, 4, pp. 32-37 (2012). [72] E. Perales, E. Chorro, W. R. Cramer, and F. M. Martínez-Verdú, Analysis of the colorimetric properties of goniochromatic colors using the MacAdam limits under different light sources, Applied Optics, 50, pp. 5271-5278 (2011). [73] Colorstream T20-02 WNT Artic Fire, Product Information, Colorstream®. Merck KgaA (2004). [74] Colorstream T20-04 WNT Lapis Sunlight, Product Information, Colorstream®. Merck KgaA (2007).

Pal. clave: propiedades ópticas de materiales

Área de conocimiento: Física aplicada

Departamento: Física Aplicada

Nota: Presentado: 18 03 2014
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Física Aplicada, 2014

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 Registro creado el 2014-11-20, última modificación el 2019-02-19


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