1 EINFÜHRUNG

1.1 BRDF

Bidirektionale Reflexions- und Transmissionsverteilungsfunktionen (BRDF, BTDF) sind die grundlegende Methode zur Beschreibung und Bewertung der Verteilung der Streuung von optischen Komponenten. Die Daten sind auch ein wesentlicher Input für Streulichtsimulationen unter Verwendung von Optiksoftware wie ZEMAX, RAYJACK ONE, FRED, ASAP, LightTools, TracePro, und anderen.

 

Aufgrund der zahlreichen möglichen Ursachen der Streuung (Rauheit, Defekte, Bulk, Beschichtungen) und der recht komplexen Beziehungen zwischen solchen Unvollkommenheiten und der Lichtstreuung muss die BRDF von optischen Komponenten gemessen werden. Dies gilt insbesondere für hochwertige optische Komponenten, z. B. für die Raumfahrt, Halbleiter, IR-Sensorik, LIDAR, Bildgebung, Bioanalytik, medizinische und andere anspruchsvolle photonische Anwendungen.

 

1.2 ULTRASCHWARZE BESCHICHTUNGEN VON ACKTAR

Um Streulicht in komplexen optischen Systemen zu unterdrücken, werden Baffeln und schwarze diffundierende Absorberbeschichtungen angewendet. Auch wenn solche Oberflächen bei nahezu normalem Einfall und sichtbaren Wellenlängen perfekt diffus und schwarz aussehen, ändert sich die Streuverteilung in der Regel bei größeren Einfallswinkeln und bei anderen Wellenlängen. Im Extremfall des streifenden Einfalls und/oder bei infraroten Wellenlängen verhalten sich einige Materialien, die im sichtbaren Bereich schwarz sind, wie gute Spiegel, so dass Streustrahlung innerhalb des optischen Systems aufprallt, anstatt unterdrückt zu werden. Die Streuung von schwarzen Beschichtungen muss daher unter Anwendungsbedingungen gemessen werden.

 

Diese Datenbank mit BRDF- und TIS-Messungen (Total Integrated Scatter, hemisphärische Reflexion) an allen tiefschwarzen Beschichtungen und Folien von Acktar bietet eine beispiellose Grundlage für die Entwicklung und Simulation von optischen Systemen. Vor allem der Nachweis der optischen Eigenschaften und Leistungen im Bereich größerer Einfallswinkel gibt dem Optikentwickler größtmögliche Sicherheit und Vertrauen.

 

2 BESCHREIBUNG DER DATEN

2.1 WELLENLÄNGENBEREICHE

BRDF-Messungen wurden bei VIS (Weißlicht) und NIR (monochrom 1,55µm) durchgeführt.

 

Spektrale TIS-Daten sind für VIS (400nm bis 800nm) und NIR (780nm bis 1.650nm) verfügbar.

 

2.2 BESCHREIBUNG DER ROHDATEN IM TEXTFORMAT

1 Ordner pro Wellenlänge mit 1 Ordner pro Probe mit:

 

sample_/IR_BRDF_X0.txt entspricht der 3D BRDF (Reflexionsgrad) Messung der Probe für den Einfallswinkel X0.0°. In diesen Dateien entsprechen die Zeilen den BSDF-Werten des Streuwinkels, die von -90° (eine Seite der Probe) bis 0° (Zenit) reichen und bei 90° (andere Seite der Probe) enden. Jede Spalte ist eine 2D-BSDF-Messung in einer anderen Messebene (Azimut), die von -90° (in der Einfallsebene) bis 0° (orthogonal zur Einfallsebene) reicht und bei +90° (in der Einfallsebene) endet.

 

2.3 BESCHREIBUNG DER DATEN IN DER EXCEL-DATEI

1 Excel-Datei pro Probe, in der die BSDF-Werte zusammengefasst und gezeichnet werden:

 

1. Tab sind die TIS-Werte. Die erste Spalte ist der Einfallswinkel und die letzte Spalte gibt das Reflexionsverhältnis an. Außerdem gibt es die spektrale TIS-Messung, wobei Spalte F die Wellenlänge (nm) angibt, und dann eine Spalte pro Einfallswinkel (AOI)
2. 1 Registerkarte pro Messung (pro Einfallswinkel), die den 3D-BRDF-Messungen der Probe für den Einfallswinkel X0,0° im Reflexionsgrad (BRDF) entspricht. Genau wie die txt-Dateien ist jede Spalte eine 2D-BRDF in verschiedenen Azimut-Ebenen (Messebene), die von -90° (in der Einfallsebene) über 0° (orthogonal zur Einfallsebene) bis zu +90° (wieder in der Einfallsebene) reichen.

3 ANALYSE – WAS ZU ERWARTEN IST:

3.1 PRODUKTE ZUR DIREKTEN BESCHICHTUNG

3.1.1 FRACTALBLACK™:

Für beide Wellenlängen (IR und sichtbar) nimmt der TIS mit dem Einfallswinkel (AOI) zu und reicht von etwa 1,5 % bis etwa 5 %.

 

Was die spektrale TIS betrifft, so ist die TIS bei IR-Messungen im Allgemeinen stabil mit der Wellenlänge. Es gibt keine nennenswerte spektrale Abhängigkeit.  Bei Messungen im sichtbaren Spektralbereich ist jedoch ein geringer, aber nicht sehr ausgeprägter Rückgang der TIS mit der Wellenlänge festzustellen.

 

Was die BRDF-Messung anbelangt, so ist das Verhalten bei beiden Wellenlängen nahezu lambertianisch (etwa 1,5 % im IR und etwa 2 % im Sichtbaren). Es gibt einen Spitzenwert für hohe Streuwinkel bei höherer AOI.

 

3.1.2 MAGICBLACK™:

Auch hier nimmt der TIS bei beiden Wellenlängen mit der AOI zu und reicht von etwa 1,5 % bis etwa 5 % im IR-Bereich und von 0,5 % bis etwa 2,5 % im sichtbaren Bereich. Er ist also bei IR-Messungen etwas höher als bei sichtbaren Messungen.

 

Wir stellen bei dieser Probe eine spektrale Abhängigkeit für IR-Messungen fest. Der TIS-Wert steigt nämlich mit zunehmender Wellenlänge. Im sichtbaren Bereich ist jedoch keine spektrale Abhängigkeit zu erkennen.

 

Bei der BRDF-Messung ist ein unterschiedliches Verhalten zwischen IR und Sichtbar festzustellen. Im IR-Bereich ist sie fast lambertianisch (etwa 1,5 %). Es gibt eine Spitze für hohe Streuwinkel bei höherem AOI.

 

Bei der sichtbaren BRDF ist das Verhalten anders als bei der IR-Messung. Es gibt einen kleinen spiegelnden Peak mit einem ebenfalls lambertianischen Hintergrund (ca. 0,6 %), also niedriger als bei der IR-Messung.

 

3.1.3 VACUUMBLACK™:

Die TIS nimmt mit dem AOI zu und reicht von ca. 1 % bis ca. 5 % für IR und von ca. 1 % bis ca. 4 % für sichtbar.

 

Was die spektrale TIS betrifft, so ist im IR-Bereich eine spektrale Abhängigkeit nur bei hohen Einfallswinkeln festzustellen. Bei diesen nimmt die TIS nämlich mit zunehmender Wellenlänge zu. Bei den sichtbaren Wellenlängen gibt es jedoch keine spektrale Abhängigkeit.

 

Was die BRDF-Messungen anbelangt, so ist das Verhalten zwischen dem sichtbaren und dem IR-Bereich ähnlich. Sie ist fast lambertianisch (etwa 1 %). Es gibt eine Spitze für hohe Streuwinkel bei höherem AOI.

 

3.1.4 LAMBERTIANBLACK™:

Diese Probe kommt einer perfekten Lambertian-Probe sehr nahe. Bei niedrigen Einfallswinkeln ist keine spiegelnde Komponente sichtbar. Der lambertianische Hintergrund ist im VIS niedriger als im NIR, was mit der Reflexionsmessung übereinstimmt, bei der die Probe weniger als 1 % im VIS und mehr als 1,5 % im NIR reflektiert.

 

Der spektrale Reflexionsgrad nimmt mit der Wellenlänge zu.

 

3.2 BESCHICHTETE FOLIENPRODUKTE

3.2.1 METALVELVET™

Wir können einen Unterschied in den Reflexionswerten vom VIS- zum IR-Bereich feststellen. Während die Probe im VIS-Bereich ~0,5 % über die verschiedenen Einfallswinkel reflektiert, reflektiert die Probe im IR-Bereich mit ~3 % viel mehr. Die BRDF-Werte bestätigen dieses Verhalten im IR-Bereich mit Werten um 0,005 sr-1.

 

Das Streuverhalten ist trotz unterschiedlicher Werte im VIS- und IR-Bereich ziemlich ähnlich. Es gibt einen klaren Lambertschen Hintergrund und eine kleine spiegelnde Komponente.

 

3.2.2 SPECTRALBLACK™:

Der TIS nimmt mit dem AOI zu und reicht von etwa 1,5 % bis etwa 7,5 % im IR-Bereich und von etwa 0,5 % bis etwa 4 % im sichtbaren Bereich.

 

In beiden Fällen ist eine spektrale Abhängigkeit festzustellen. In der Tat nimmt die TIS mit zunehmender Wellenlänge zu. Bei den IR-Messungen ist dies deutlicher.

 

Was die BRDF-Messungen betrifft, so können wir eindeutig eine Anisotropie der Probe feststellen, die mit der Tatsache übereinstimmt, dass sie streifig ist.

 

3.2.3 SCATTERBLACK™:

Diese Probe ist anisotrop und wurde mit einfallendem Licht entlang von Streifen gemessen.

 

Die Probe hat größtenteils einen Lambert’schen Streuungshintergrund mit einem Niveau von ~0,004 sr-1 im VIS und 0,005 sr-1 im NIR (~1,5 %). Es gibt eine leichte spiegelnde Komponente, die im sichtbaren Bereich stärker ausgeprägt ist. Das Verhalten des lambertschen Hintergrunds ist kohärent mit dem TIS, das im NIR etwas stärker ausgeprägt ist als im VIS. Der spektrale Reflexionsgrad ist über 450nm-1400nm ziemlich konstant mit einem kleinen Knick bei 900nm. Nach 1400 nm steigt der Reflexionsgrad etwas an.

 

3.2.4 MAXIBLACK™:

Für den TIS sind die Beobachtungen die gleichen wie zuvor, der TIS steigt mit dem AOI und reicht von etwa 1% bis etwa 6% für IR und von etwa 1% bis etwa 5%.

 

Für beide Wellenlängen ist eine geringe spektrale Abhängigkeit zu beobachten. In der Tat nimmt der TIS mit zunehmender Wellenlänge langsam zu. Möglicherweise ist diese Abhängigkeit im IR-Bereich stärker ausgeprägt als im sichtbaren Bereich.

 

Was die BRDF-Messungen anbelangt, so gibt es bei beiden einen spiegelnden Peak mit Streuung auf beiden Seiten dieses Peaks und einen lambertianischen Hintergrund. Es ist anzumerken, dass der spiegelnde Peak im IR-Bereich höher ist als im sichtbaren Bereich.

 

3.2.5 HEXABLACK™:

Hier ist das Verhalten des TIS mit dem Einfallswinkel ein wenig anders. Für beide Wellenlängen ist der TIS insgesamt stabil mit dem AOI (etwa 1 % für IR und etwa 0,5 % für sichtbar).

 

Im IR-Bereich ist ein leichter Anstieg des TIS mit zunehmender Wellenlänge zu beobachten. Für das Sichtbare gibt es jedoch keine nennenswerte spektrale Abhängigkeit.

 

Bei den BRDF-Messungen stellen wir für beide Wellenlängen eine sehr große Gaußsche Streuung mit einem lambertschen Hintergrund fest.  Der lambertsche Hintergrund ist im Sichtbaren geringer als im Infraroten.

Author : Alexander Telle ([email protected])