Ce projet rentre dans le champ de la spectrophotométrie et concerne les grandeurs en lien avec la mesure de l’apparence visuelle des matériaux. En particulier, les travaux concernent la mesure de la transmittance et de la diffusion de volume, ce qui permettra de caractériser la transparence et la translucidité des matériaux. Ces deux attributs qui ont une importance particulière dans la cosmétique, l’alimentaire, l’emballage et la synthèse d’image (notamment pour le rendu de la peau et de la pierre).
Contexte
L'apparence des produits et l'identité visuelle sont des facteurs importants dans les décisions d'achat des consommateurs, car ils influencent les perceptions de « qualité » et de « désirabilité ». Le projet visait à faire avancer la métrologie primaire en spectrophotométrie pour répondre aux besoins industriels de mesure quantitative de l'apparence. Cela a été accompli en i) définissant de nouvelles quantités spectrophotométriques, ii) prenant en compte des termes de correction précédemment ignorés, et iii) développant de nouvelles références primaires traçables en spectrophotométrie pour fournir de nouveaux outils de contrôle de qualité et des solutions plus réalistes pour le prototypage virtuel. Cette recherche visait à bénéficier à différents secteurs industriels comme l'automobile, le papier, les cosmétiques, l'impression 3D et le rendu de réalité virtuelle, ainsi qu'à des applications scientifiques connexes comme les missions aérospatiales.
Objectifs
Faire progresser la métrologie primaire dans le domaine de la spectrophotométrie en définissant deux nouvelles quantités : la fonction de distribution du facteur de transmission bidirectionnel (BTDF) et la fonction de distribution de facteur de diffusion de surface bidirectionnel (BSSRDF)
Pour ces deux quantités, 2 réalisations seront mises au point, des artefacts de transfert seront conçus et la traçabilité sera testée
Etude des problèmes métrologiques liés à la mesure de la BRDF (fonction de distribution de la réflectivité bidirectionnelle), notamment sur les effets de polarisation, de speckle, de traçabilité lorsque les mesures sont réalisées sur des petites surfaces
Résultats
Le projet a permis de définir de nouvelles grandeurs : le BTDF (Bidirectional Transmittance Distribution Function) et le BSSRDF (Bidirectional Scattering Surface Reflectance Distribution Function), ainsi que de développer des installations primaires pour leur réalisation traçables au Système International (SI), et améliorer les mesures de la fonction de distribution de la réflectance bidirectionnelle (BRDF).
A la suite de ces développements, de nouveaux services d'étalonnage devraient émerger pour les fabricants de spectrophotomètres et le marché de la R&D industrielle. Une définition et une réalisation du BSSRDF fourniront la première solution d'étalonnage, impactant des industries telles que les cosmétiques, l'automobile, les plastiques et le papier, ainsi que le marché des logiciels de rendu.
De nouvelles références métrologiques pour la spectrophotométrie amélioreront le contrôle de la qualité des produits et la représentation virtuelle des produits dans la conception numérique.
Impacts scientifiques et industriels
Impacts sur les communautés industrielles et autres utilisateurs
Le domaine de la spectrophotométrie évolue rapidement, et de nouveaux dispositifs commerciaux arrivent continuellement sur le marché. La caractérisation et l'étalonnage appropriés de tous ces différents types de goniospectrophotomètres nécessitent un effort coordonné entre les instituts nationaux de métrologie européens. Grâce au projet, le consortium est désormais en mesure de fournir des services d'étalonnage BTDF aux fabricants de nouveaux spectrophotomètres, aux industries de R&D et à d'autres. L'effet de speckle est mieux connu, ce qui a un impact sur l'étalonnage des glossmètres.
La réduction de l'incertitude de mesure de la BRDF et la validation et l'amélioration des échelles BRDF réduisent l'incertitude de l'étalonnage pour les fabricants de spectrophotomètres, ce qui a un effet immédiat au niveau industriel.
La définition et la réalisation de l'échelle BSSRDF ont été accomplies et auront un impact direct sur différentes industries, par exemple les cosmétiques, l'automobile, les plastiques, la pâte à papier et le papier, ainsi que sur les développeurs de logiciels de rendu, car cela fournira une solution d'étalonnage pour les dispositifs déjà développés. Même si l'incertitude doit encore être réduite pour cette quantité, les premières applications testées sur des modèles existants ont permis de mieux comprendre les limitations des modèles et les propriétés optiques des matériaux translucides.
Impacts scientifiques et sur la métrologie
Les progrès dans la compréhension de l'effet de la cohérence de la lumière dans la mesure de la BRDF avec une bande spectrale étroite et/ou une haute résolution angulaire ont un impact direct sur la communauté scientifique, car ils remettent en question la notion même de BRDF. Les travaux réalisés pour définir le mesurande pour la BRDF et la BSSRDF ont un impact sur les fabricants de spectroradiomètres, en particulier pour ceux qui développent des dispositifs basés sur l'imagerie. Un meilleur contrôle de la BRDF conduit à une réduction des incertitudes des Capacités de Mesurage et d'Étalonnage (CMC) dans plusieurs instituts nationaux de métrologie participants, améliorant ainsi la qualité et la visibilité de la métrologie européenne dans le domaine de la spectrophotométrie. Ce travail est déjà engagé avec la publication d'articles revendiquant cette réduction des incertitudes (voir ici). De nouvelles installations primaires pour la mesure du BTDF, du BSSRDF et du μBRDF ont été construites dans plusieurs instituts nationaux de métrologie et mèneront à de nouveaux services d'étalonnage dans ces instituts. Un important travail de collaboration a été engagé avec les parties prenantes pour développer de nouveaux Matériaux de Référence Certifiés (MRC), ce qui rendra la traçabilité de la BRDF, du BTDF et du BSSRDF plus accessible à la communauté métrologique européenne.
Publications et communications
Site web du projet : https://bxdiff.cmi.cz/
Liste de publications
- A. Correia, P. Hanselaer, Y. Meuret, 2019, “Accurate and robust characterization of volume scattering materials using the intensity-based inverse adding-doubling method”, SPIE Vol 11057, https://lirias.kuleuven.be/2825988?limo=0
- A. Calderón, A. Ferrero and J. Campos, 2020, “Accounting for polarization–related effects in the measurement of the bidirectional reflectance distribution function”, Metrologia 57(4), https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/ab804f
- J. R. Frisvad, S. A. Jensen, J. S. Madsen, A. Correia, L. Yang, S. K. S. Gregersen, Y. Meuret, P.‐E. Hansen, 2020, “Survey of Models for Acquiring the Optical Properties of Translucent Materials”, Computer Graphics forum (39)2, pp 729-755, https://diglib.eg.org/handle/10.1111/cgf14023
- A. Ferrero, J. R. Frisvad, L. Simonot, P. Santafé, A. Schirmacher, J. Campos, and M. Hebert, 2021, Fundamental scattering quantities for the determination of reflectance and transmittance“, Optics Express 29(1), https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-1-219&id=445047
- P. Santafé-Gabarda, A. Ferrero, N. Tejedor-Sierra and J. Campos, 2021, “Primary facility for traceable measurement of the BSSRDF”, Optics Express 29(21), pp. 34175-34188, https://doi.org/10.1364/OE.439108
- I. Santourian, T. Quast and A. Schirmacher, 2022, Uncertainty budget for PTB's gonioreflectometers and ways to improve it in the short VIS spectral range, Metrologia 59(2), https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/ac4e76
- T. Labardens, P. Chavel, Y. Sortais, M. Hébert, L. Simonot, A. Rabal, G.Obein, 2021, Study and simulations of speckle effects on BRDF measurements at very high angular resolution, Electronic Imaging, 33, https://library.imaging.org/ei/articles/33/5/art00006
- I Santourian, T Quast, S Teichert, K-O Hauer and A Schirmache, 2022, Novel LED-based radiation source and its application in diffuse reflectometry and polarization measurements, J. Phys.: Conf. Ser. 2149 012010, https://doi.org/10.1088/1742-6596/2149/1/012010
- P. Chavel, Y. Sortais, T. Labardens, L. Simonot, M. Hebert, G. Obein, 2022, Advocating a statistical definition for the BRDF, Journal of Physics: Conference Series, 2149. https://hal-universite-paris-saclay.archives-ouvertes.fr/hal-03620283/
- Z. Ma, P-E. Hansen, H. Wang, M. Karamehmedovic, Q. Chen, 2023, Harvey-Shack theory for converging-diverging Gaussian beam, JOSA B, https://doi.org/10.1364/JOSAB.478801
- E. Molloy, P. Saunders, A. Koo, Effects of rotation errors on goniometric measurements, 2022, Metrologia, 59(2). https://zenodo.org/record/5842491
- N. Basic, E. Molloy, A. Koo, Al. Ferrero, P. Santafé, L. Gevaux, G. Porrovecchio, A. Schirmacher, M. Smid, P. Blattner, K-O. Hauer, T. Quast, J. Campos-Acosta, G. Obein, 2023, Intercomparison of bidirectional reflectance distribution function (BRDF) measurements at in- and out-of-plane geometries, Applied Optics, https://opg.optica.org/ao/upcoming_pdf.cfm?id=486156
- P. Santafé, 2020, Medida y transferencia de la unidad de BSSRDF, Master Thesis, Spain, https://digital.csic.es/handle/10261/226200.
- J. Fu, J.Reval F., M. Esslinger, T. Quast, A. Schirmacher 2022. Preliminary Results of Angle-Resolved BTDF Characterization of Optical Transmissive Diffusers, Colour and Visual Computing Symposium 2022 (CVCS 2022). Identifier: urn:nbn:de:0074-3271-0, https://ceur-ws.org/Vol-3271/Paper13_CVCS2022.pdf
- J.S.M. Madsen; R. Korhonen; P. Peltonen; O. Rodenko; S.A. Jensen. Nanostructure characterization and film thickness measurements at the fabrication line. “Nanomaterials: Applications & Properties” (IEEE NAP-2022), Krakow, Poland, Sep. 11-16, 2022. https://doi.org/10.5281/zenodo.7973545
Partenaires
Le projet BxDiff, coordonné par le LNE-Cnam, regroupe 17 partenaires dont 9 laboratoires nationaux de métrologie, 4 universités et 4 partenaires industriels.