NIST lancerer et dramatisk forbedret system til måling af lysets intensitet og spektrum

Vi ser verden i reflektion:Næsten alt det lys, der kommer ind i vores øjne, har prellet af noget først, medbringer information om arten af ​​de genstande, den stødte på på vejen. Men denne information er stærkt påvirket af den vinkel, hvor lyset rammer objektet, og også den vinkel, hvormed det reflekterede lys når beskuerens øje.

Derfor er lysets egenskaber reflekteret i forskellige vinkler og intensiteter enormt vigtige, for eksempel, til den måde, biler bliver malet på, der laves stoffer, plast og belægninger er farvet, der produceres trykte materialer, optiske systemer er konstrueret, og fjernfølelsesbilleder skabes og fortolkes, for blot at nævne nogle få.

I øvrigt, instrumenter indsat til mange public service og nationale sikkerhedsanvendelser - såsom satellitovervågning af vejr og naturkatastrofer, eller detektering af potentielle modstandere - indeholde komponenter, der skal kalibreres præcist mod en kendt standard for at sikre nøjagtig karakterisering af virkningerne af lysrefleksans og spredning.

NIST fastholder den nationale skala for refleksion, og er nu ved at lancere et dramatisk forbedret system til måling af intensitet og spektrum af lys, der reflekteres og spredes fra prøver på så store som 30 cm kvadrat i praktisk talt enhver retning. Kaldes Robotic Optical Scattering Instrument (ROSI), det vil tilbyde nye muligheder, der er i stigende efterspørgsel fra industri og videnskab, men var ikke tidligere tilgængelige på NIST.

"Vi begyndte arbejdet med at udvikle dette system for år siden, " siger projektleder Heather Patrick fra NIST's Physical Measurement Laboratory, "når frem til gradvist mere sofistikerede designs før den nuværende version af ROSI. I midten af ​​2017 forventer vi at stille det første sæt funktioner til rådighed for kunderne. Cirka et år senere, alle systemets funktioner vil være fuldt funktionsdygtige. "

Måske vigtigst af alt, ROSI tillader både in-plane og out-of-plane målinger. (Se diagrammet nedenfor.) I førstnævnte, lyskilden, prøven, og modtageren er alle i samme plan; i sidstnævnte, modtageren er i et andet plan.

Målinger uden for planet var ikke mulige med ROSI's forgænger, NISTs arbejdshest Spectral Tri-function Automated Reference Reflectometer (STARR). "Men de er vigtige for alle, der foretager reflektansmålinger i feltet, såsom dem, der studerer havfarve eller infrarød overvågning af varmesignaturer, " siger NIST-forsker Catherine Cooksey. "Derudover, de er vigtige for 'gonioapparent' belægninger - det vil sige belægninger, der afspejler forskellige farver afhængigt af visningsretningen eller belysningen, som iriserende farver. For eksempel, bilmaling, der ser ud til at ændre farver, når du bevæger dig rundt i bilen. "

Ud over, ROSI udvider området af bølgelængder fra ultraviolet til nær-infrarødt, og kan give 100 gange mere indfaldende lys end STARR, muliggør detaljerede målinger af prøver med lav reflektans og åbner nye muligheder for forskning.

ROSI-systemet kombinerer tre integrerede, fuldautomatiske komponenter (se diagram). Den ene er en laserbaseret lyskilde, der kan indstilles til en bestemt ønsket farve, intensitet, og polarisering, før den fokuseres på prøven, der skal undersøges. Strålen gør en plet 1 cm i diameter, når den lyser nøjagtigt vinkelret på overfladen af ​​prøven, men udvider sig til en stadig bredere og svagere ellipse, efterhånden som vinklen mellem kilden og prøven bliver mere og mere skrå.

Prøven er monteret på enden af ​​ROSIs anden hovedkomponent, en 6-akset robotarm, der kan flytte prøven i næsten enhver vinkel i forhold til strålen. Den tredje komponent er modtageren, der registrerer mængden af ​​lys spredt fra prøven ved en bestemt betragtningsvinkel. Modtageren kan flyttes rundt om robotarmens akse, et design, der letter målinger uden for planet.

Denne kapacitet er kritisk vigtig for at karakterisere de materialer, satellitsystemer såsom den langvarige Landsat-serie-som kortlægger ændringer i det globale landskab-bruger til at kalibrere deres indbyggede sensorer. Disse enheder modtager reflekteret og spredt lys, der kommer fra en bred vifte af vinkler, og kvaliteten af ​​observationer afhænger af at forstå, hvordan disse vinkler påvirker signalet. Virkningen er stor:Siden Landsat 8 blev lanceret i 2013, mere end 30 millioner billeder er blevet downloadet fra programmets websted.

NASA forsyner mange af sine andre satellitprojekter med reflektansmålinger, og NASAs reflektansskala kan spores til den nationale reflektansskala gennem årlige NIST -kalibreringer.

ROSI er designet til at foretage tre slags målinger. Det mindst komplekse involverer spejlprøver, hvor næsten alt det indfaldende lys reflekteres i en vinkel. Det er den første funktion, der kommer online senere på året. Den anden type går under navnet bidirektionel reflektansfordelingsfunktion (BRDF), hvilket grundlæggende betyder, at både vinklen, hvorved det indfaldende lys rammer prøven, og vinklen mellem prøven og modtageren kan justeres separat for at måle, hvordan ændringerne modificerer egenskaberne af det reflekterede/spredte lys.

Endelig, ROSI vil være i stand til at producere "halvkugleformede" målinger, hvor lys, der reflekteres fra prøven, registreres på mange punkter, der udgør en komplet halvkugle og producerer et omfattende datasæt.

"Denne nye facilitet tilbyder NISTs kunder en udvidet kapacitet, og NIST selv med udvidet forskningspotentiale, "Cooksey siger." Tidligere har vi kunne kun måle inden for et enkelt plan. Nu kan vi måle fuldt halvkuglerum over en prøve punkt for punkt med signifikant øget intensitet af indfaldende lys. Dette øger de typer materialer, vi nu kan måle, såsom belægninger med interessante BRDF'er eller meget mørke, sorte prøver. "