DE102008046988A1

DE102008046988A1 - Reflektometer und Verfahren zur Charakterisierung von Materialien und Materialoberflächen zumindest hinsichtlich optischer Streueigenschaften oder/und optischer Reflektionseigenschaften

Info

Publication number: DE102008046988A1
Application number: DE102008046988A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dipl.-Phys. Oberdörster; Thomas Dr.Dipl.-Inform. Kollig
Original assignee: [0X1] SOFTWARE und CONSULTING GmbH; 0X1 SOFTWARE und CONSULTING GM
Current assignee: [0X1] SOFTWARE und CONSULTING GmbH; 0X1 SOFTWARE und CONSULTING GM
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2010-04-22

Abstract

Für ein Reflektometer (1; 1a) zur Charakterisierung von Materialien oder Materialoberflächen hinsichtlich wenigstens eines von optischen Streueigenschaften und optischen Reflektionseigenschaften umfassender optischer Eigenschaften wird vorgeschlagen, dass eine Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe im Raumbereich eines optischen Fokus einer aus diesem Bereich ausgehende optische Strahlung erfassenden und definiert einem zweidimensional auslösenden Detektor (3; 3a) zuführenden optischen Anordnung (5; 5a) mittels eines Probenhalters (7; 7a) um wenigstens eine vorgegebene Drehachse drehbar ist, um, bezogen auf einen feststehenden optischen Zuführungsweg, über den Strahlung einer optischen Strahlungsquelle (9; 9a) auf die im Raumbereich positionierte Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe definiert richtbar ist, unterschiedliche Einfallwinkel der auf die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe gerichteten optischen Strahlung vorzusehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Reflektometer zur Charakterisierung von Materialien oder Materialoberfächen hinsichtlich wenigstens eines von optischen Streueigenschaften und optischen Reflexionseigenschaften umfassender optischer Eigenschaften, umfassend:

– wenigstens einen eine zweidimensionale Auflösung erfasster optischer Strahlung vorsehenden Detektor;
– wenigstens eine diffraktive oder/und refraktive oder/und reflektive optische Anordnung, die wenigstens einen optischen Fokus aufweist und mittels der aus dem Raumbereich des oder eines optischen Fokus ausgehende, von der optischen Anordnung erfasste optische Strahlung definiert dem Detektor zuführbar ist, derart, dass in unterschiedliche Raumrichtungen aus dem Raumbereich des Fokus ausgehende Strahlung mittels der zweidimensionalen Auflösung des Detektors unterscheidbar ist;
– wenigstens einen Probenhalter, mittels dem eine Materialprobe oder Materialoberfächenprobe in dem Raumbereich des/eines dem Probenhalter zugeordneten optischen Fokus positionierbar ist;
– wenigstens eine optische Strahlungsquelle, mittels der optische Strahlung auf die im Raumbereich dieses optischen Fokus positionierte Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe längs einem optischen Zuführungsweg mit einem definierten Einfallwinkel richtbar ist, um zumindest durch optische Reflexion oder/und optische Streuung an oder in der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe resultierende optische Strahlung mittels der optischen Anordnung zu erfassen und dem Detektor zuzuführen.

Ein Reflektometer, bei dem an einer Probe reflektierte Strahlung simultan über einen Ausfall-Elevationswinkelbereich und zugleich einen Ausfall-Azimutzwinkelbereich erfasst werden kann, ist aus der US 5,640,246 bekannt. Die Erfassung erfolgt mittels eines Faserbündels, welches die erfasste Strahlung für eine ortsaufgelöste Detektion einer Detektionseinrichtung in Form einer CID-Kamera zuführt.
Aus der DE 10 2005 056 106 A1 ist ein als „Zweirichtungsreflektanz-Verteilungsmessgerät” bezeichnetes Reflektometer bekannt, bei dem einerseits eine Elevation einer Lichtquelle in Bezug auf eine Probe computergesteuert veränderbar ist und andererseits mittels eines um die Probe bewegbaren linienartigen Lichtempfängers eine simultane Erfassung eines Ausgangs-Elevationswinkelbereichs für verschiedene Ausfall-Azimutwinkel möglich ist.
Eine eine Art optisches Kaleidoskop und eine CCD-Kamera umfassende Messvorrichtung zur Bestimmung der bidirektionalen Reflektionsverteilungsfunktion (BRDF = Bidirectional Reflectance Distribution Function) eines Objektes ist aus der US 7,177,026 B2 bekannt.
Ein messpistolenartig ausgeführtes Reflektometer zur mobilen Messung einer Gesamtreflektion von einer Oberfläche eines Objekts ist aus der US 5, 659,397 bekannt. Die an der Oberfläche reflektierte Strahlung wird mittels einer ellipsoiden Reflektionskammer auf einen Detektor abgebildet.
Ein weiteres, offenbar für den mobilen Einsatz vorgesehenes Reflektometer, welches zur Messung der BRDF einer Oberfläche in situ an einem fertigen Gegenstand, z. B. einem Fahrzeug, vorgesehen ist, ist aus der US 6,982,794 B1 bekannt. Das Reflektometer wird auf die hinsichtlich der BRDF zu vermessende Oberfläche aufgesetzt und weist einen Ellipsoidreflektor auf, um von der Oberfläche in verschiedene Raumrichtungen reflektierte Strahlung einem ortsauflösenden Detektor zuzuführen.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der BRDF-Funktion einer Probenoberfläche ist aus der US 6,697,568 B2 bekannt. Es wird ein parabolischer Reflektor eingesetzt, um an der Probenoberfläche reflektierte Strahlung einem ortsauflösenden Detektor zuzuführen. Im Internet finden sich unter der URL www.caip.rutgers.edu Informationen zu einem derartigen Reflektometer und Einsatzmöglichkeiten eines derartigen Reflektometers unter dem Stichwort „TexturCam” oder „Rutgers TexturCam”.
Die US 6,483,590 B1 zeigt in mehreren Ausführungsformen ein Reflektometer der eingangs angesprochenen Art, bei dem mittels eines Ellipsoidreflektors oder mittels zwei gesonderten, einen gemeinsamen Fokus aufweisenden Ellipsoidreflektoren von einer im Bereich eines Fokus bzw. des gemeinsamen Fokus angeordneten Probe ausgehende Strahlung durch den Reflektor bzw. die Reflektoren erfasst und einem bzw. zwei Detektoren im Bereich des anderen Fokus bzw. des jeweils anderen Fokus zur ortsaufgelösten Detektion zugeführt wird. Zum Vorsehen unterschiedlicher Einfallwinkel ist der optische Zuführungsweg verstellbar. Bei einer Ausführungsform mit zwei Ellipsoidreflektoren ist einer der Reflektoren mit einem Schlitz ausgeführt, um die Strahlung aus verschiedenen Raumrichtungen der Probe zuführen zu können. Bei anderen Ausführungsformen ist in einem Innenbereich zwischen Ellipsoidreflektor und der Probe eine verstellbare Umlenkanordnung vorgesehen, mittels der die durch eine Öffnung des Reflektors zugeführte optische Strahlung aus verschiedenen Raumrichtungen der Probe zuführbar ist.
Ein aufwändiger Probenzuführmechanismus weist einen zwei Mess-Enden aufweisenden Probenhalter auf, der zwischen einer Beladeposition seitlich neben den Reflektoren und einer Messposition unterhalb der Reflektoren verstellbar ist, wobei der Probenhalter um eine Drehachse drehbar ist, um einerseits bei der Überführung aus der Beladeposition in die Messposition unter strukturellen Komponenten des Reflektometers hindurch zu passen und andererseits wahlweise zwischen an den beiden Messenden gehaltenen Proben, beispielsweise einer Messprobe und einer Referenzprobe, wählen zu können.
Demgegenüber ist es eine Aufgabe, ein konstruktiv einfacher aufgebautes Reflektometer bereitzustellen. Die resultierenden Messzeiten sollen vorzugsweise gegenüber dem Stand der Technik nicht oder zumindest nicht erheblich erhöht sein. Zur Lösung dieser Aufgabe wird für das eingangs angesprochene Reflektometer erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe im Raumbereich des optischen Fokus mittels des Probenhalters um wenigstens eine vorgegebene Drehachse drehbar ist, um bezogen auf den feststehenden optischen Zuführungsweg unterschiedliche Einfallwinkel der auf die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe gerichteten optischen Strahlung vorzusehen und über einen Drehwinkelbereich von mindestens 45 Grad, vorzugsweise von mindestens 90 Grad, höchstvorzugsweise von wenigstens 150 Grad die für einen jeweiligen Drehwinkel resultierende optische Strahlung mittels der optischen Anordnung zu erfassen und dem Detektor zuzuführen. Vorteilhaft kann dabei die Konstruktion so sein, dass auch eine Messung des Transmissionsverhaltens an der Materialprobe/Materialoberflächenprobe (etwa BTDF, Bidirectional Transmittance Distribution Function) möglich ist.
Auf Basis des Erfindungsvorschlags kann ein sich über einen größeren Winkelbereich erstreckender Schlitz in einem beispielsweise als Teil der optischen Anordnung vorgesehenen Spiegel vermieden werden. Auch ist eine mechanisch unter Umständen recht aufwändige Verstellbarkeit des Zuführungswegs zum Abdecken verschiedener Einfallwinkel entbehrlich. Nach dem Erfindungsvorschlag zu verstellende Massen können gegenüber beim angesprochenen Stand der Technik gemäß US 6,483,590 B1 zu verstellenden Massen deutlich reduziert sein, so dass schwächere und damit in der Regel kleinere Stellmotoren und dergleichen zum Einsatz kommen können.
Es wird vor allem daran gedacht, dass die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe im Raumbereich des optischen Fokus mittels des Probenhalters um zwei vorzugsweise zueinander orthogonale vorgegebene Drehachsen drehbar ist, um einerseits einen dem Einfallwinkel auf eine Oberfläche der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe entsprechenden Einfall- Elevationswinkel und andererseits einen Einfall-Azimutwinkel zwischen einer zur Oberfläche orthogonalen Einfallebene und einer in der Oberfläche liegenden Bezugsachse der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe voneinander unabhängig einzustellen. So lassen sich die optischen Eigenschaften einer jeweiligen Materialprobe bzw. Materialoberflächen probe besonders einfach für verschiedene Einfall-Elevationswinkel und verschiedene Einfall-Azimutwinkel bestimmen.
Vorteilhaft kann man vorsehen, dass die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe im Raumbereich des optischen Fokus mittels des Probenhalters in zumindest einer, vorzugsweise in zumindest zwei, höchstvorzugsweise in drei Raumrichtungen relativ zum Fokus verstellbar ist, wobei die Raumrichtungen vorzugsweise zueinander orthogonal sind. So können einfach optimale Messbedingungen eingestellt werden.
Die optische Anordnung kann eine Linsenanordnung oder/und eine Spiegelanordnung umfassen. Besonders zweckmäßig ist eine optische Anordnung, die wenigstens einen Parabolspiegel oder/und wenigstens einen Ellipsoidspiegel umfasst. Gegenüber einem Parabolspiegel ist eine optische Anordnung mit einem oder mehreren Ellipsoidspiegeln (im Folgenden auch als Ellipsoidreflektor angesprochen) bevorzugt. Es wird speziell vorgeschlagen, dass die optische Anordnung wenigstens einen, vorzugsweise genau einen Ellipsoidreflektor umfasst, der einen ersten Fokus und einen zweiten Fokus ineinander abbildet, wobei im Raumbereich des ersten Fokus die Materialprobe bzw. Materialoberflächen probe mittels des Probenhalters positionierbar ist und wobei in einem Raumbereich des zweiten Fokus oder zu diesem benachbart der bzw. ein zugeordneter Detektor angeordnet ist.
Um Abschattungen des Detektors für vom Ellipsoidreflektor erfasste und an sich dem Detektor zuzuführende optische Strahlung durch die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe bzw. den Probenhalter zu vermeiden oder zumindest möglichst klein zu halten, wird als besonders bevorzugt weiterbildend vorgeschlagen, dass eine durch den ersten Fokus und den zweiten Fo kus verlaufende Hauptachse des Ellipsoidreflektors parallel zu oder in einer Oberfläche der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe, auf welche die von der optischen Strahlungsquelle über den optischen Zuführungsweg zugeführte optische Strahlung trifft, verläuft.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Drehachse oder eine der vorgegebenen Drehachsen, die vorzugsweise der Einstellung eines/des Einfall-Elevationswinkels zugeordnet ist, koaxial oder parallel zu einer/der durch den ersten Fokus und den zweiten Fokus verlaufenden Hauptachse des Ellipsoidreflektors verläuft. Dabei ist es besonders zweckmäßig, wenn der optische Zuführungsweg zumindest in einem auf der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe endenden Endabschnitt orthogonal zu der Hauptachse verläuft.
Der Zuführungsweg kann durch eine Öffnung oder Aussparung des Ellipsoidreflektors verlaufen. In diesem Zusammenhang wird vor allem daran gedacht, dass der Zuführungsweg geradlinig von der Öffnung bzw. Aussparung bis hin zur Materialprobe bzw. der Materialoberflächenprobe verläuft.
In diesem Zusammenhang wird mit Bezugnahme auf die angesprochene Ausgestaltung mit um zwei Drehachsen drehbare Materialproben bzw. Materialoberflächenproben weiterbildend vorgeschlagen, dass die beiden vorgegebenen Drehachsen zueinander und zur Hauptachse orthogonal verlaufen.
Für eine Optimierung der Messbedingungen ist es vorteilhaft, wenn die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe im Raumbereich des optischen Fokus mittels des Probenhalters in Richtung der Hauptachse und vorzugsweise orthogonal zur Hauptachse relativ zum Fokus verstellbar ist. Diesbezüglich kann man zweckmäßig vorsehen, dass die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe im Raumbereich des optischen Fokus mittels des Probenhalters in zwei zueinander orthogonalen Richtungen orthogonal zur Hauptachse verstellbar ist, wobei eine erste dieser beiden Richtungen vorzugsweise orthogonal zu einer/der Oberfläche der Materialprobe bzw. Mate rialoberflächenprobe, und eine zweite dieser beiden Richtungen vorzugsweise parallel oder in der Oberfläche der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe verläuft.
Allgemein wird vorgeschlagen, dass der Probenhalter einen vorzugsweise armartigen Basisabschnitt und einen die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe aufnehmenden Halteabschnitt aufweist. Der Halteabschnitt kann vorteilhaft als gegenüber dem Basisabschnitt verstellbarer Verstellabschnitt ausgeführt sein. Zum Vorsehen einer Verdrehbarkeit der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe wird weiterbildend vorgeschlagen, dass der Verstellabschnitt einen gegenüber dem Basisabschnitt linear verstellbaren ersten Verstellabschnitt und einen gegenüber dem ersten Verstellabschnitt verdrehbaren zweiten Verstellabschnitt aufweist, wobei der erste Verstellabschnitt den zweiten Verstellabschnitt mit dem Basisabschnitt verbindet. Nach einer alternativen Ausgestaltung wird eine Verdrehbarkeit der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe dadurch erreicht, dass der Verstellabschnitt einen gegenüber dem Basisabschnitt drehbaren zweiten Verstellabschnitt und einen gegenüber dem zweiten Verstellabschnitt linear verstellbaren ersten Verstellabschnitt aufweist, wobei der zweite Verstellabschnitt den ersten Verstellabschnitt mit dem Basisabschnitt verbindet.
Für das Reflektometer mit dem den armartigen Basisabschnitt und den ersten Verstellabschnitt und den zweiten Verstellabschnitt aufweisenden Probenhalter wird in Bezug auf vorangehend angesprochene Ausführungsmöglichkeiten des Reflektometers mit wenigstens einem Ellipsoidreflektor weiterbildend vorgeschlagen, dass wenigstens eines der folgenden Merkmale realisiert ist:

– der Basisabschnitt erstreckt sich entlang der oder parallel zur Hauptachse;
– der Basisabschnitt ist in Richtung der Hauptachse linear verstellbar;
– der Basisabschnitt ist um eine zur Hauptachse parallel oder koaxial verlaufende Drehachse verdrehbar;
– der Halteabschnitt bzw. der Verstellabschnitt weist wenigstens einen Greifer zum Halten der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe auf;
– der erste Verstellabschnitt ist in einer zur Hauptachse orthogonalen Richtung relativ zum Basisabschnitt bzw. relativ zum zweiten Verstellabschnitt linear verstellbar;
– der zweite Verstellabschnitt ist um eine zur Hauptachse orthogonale Drehachse relativ zum Basisabschnitt bzw. relativ zum ersten Verstellabschnitt verdrehbar;
– wenigstens eine der vorstehenden Verstellungen bzw. Verdrehungen erfolgt mittels eines zugeordneten elektrischen Stellmotors.

Zweckmäßig kann der Basisabschnitt einen Halterarm aufweisen, welcher sich durch eine Öffnung oder Aussparung des Ellipsoidreflektors erstreckt, vorzugsweise entlang der Hauptachse in Richtung zum Raumbereich des ersten Fokus.
Hinsichtlich der Detektion wird allgemein vorgeschlagen, dass dem Detektor oder einem Detektorfeld des Detektors wenigstens ein die Auflösung unterschiedlicher Raumrichtungen der aus dem Raumbereich des Fokus bzw. ersten Fokus ausgehenden optischen Strahlung erhöhendes optisches Element vorgeschaltet ist. Dabei kann das optische Element eine Blende oder/und ein Objektiv umfassen. Das optische Element kann einen Durchmesser jeweiliger, durch den Detektor erfasster optischer Strahlung begrenzen, die auf aus dem Raumbereich des Fokus bzw. ersten Fokus mit unterschiedlichen Raumrichtungen ausgehenden optischen Strahlen basieren. Als Detektor kann beispielsweise eine elektronische Kamera oder ein zweidimensionales CCD-Feld dienen.
Weiterhin wird hinsichtlich des Aufbaus des Probenhalters vorgeschlagen, dass dieser dafür ausgeführt ist, durch die Probe transmittierte Strahlung zur Erfassung durch die optische Anordnung und Zuführung zum Detektor durchzulassen. So können Materialien auch hinsichtlich optischer Transmis sionseigenschaften unter Verwendung des Reflektometers charakterisiert werden.
Ferner wird hinsichtlich der optischen Anordnung vorgeschlagen, dass die optische Anordnung sich in einer auf die optische Achse bezogenen Umfangsrichtung über wenigstens 180°, vorzugsweise wenigstens etwa 270°, höchstvorzugsweise über etwa 360°, um den dem Probenhalter zugeordneten optischen Fokus erstreckt. Es lässt sich sowohl reflektierte bzw. gestreute als auch transmittierte optische Strahlung über einen sehr großen oder sogar für den gesamten Umfangswinkelbereich erfassen und für die Charakterisierung auswerten.
Bevorzugt weist das Reflektometer eine elektronische Auswerteeinrichtung auf, die beispielsweise auf Basis eines programmgesteuerten Prozessors, beispielsweise in Form eines Computers, realisiert ist. Es kann sich um einen üblichen Standard-PC handeln, der mit einer entsprechenden Auswertesoftware und Ansteuersoftware betrieben wird und über übliche Schnittstellen mit Schnittstellen des eigentlichen Reflektometers kommuniziert. Ein solcher PC kann aber als Bestandteil des Reflektometers angesehen werden. Betreffend die elektronische Auswerteeinrichtung wird vor allem daran gedacht, dass diese die Detektionssignale des Detektors empfängt und aus den Detektionssignalen eine jeweilige Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe hinsichtlich wenigstens eines von optischen Streueigenschaften und optischen Reflexionseigenschaften umfassender optischer Eigenschaften charakterisierende Charakterisierungsdaten bestimmt.
Bevorzugt ist die elektronische Auswerteeinrichtung dafür ausgeführt, wenigstens einen Stellmotor anzusteuern, um die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe im Raumbereich des optischen Fokus mittels des Probenhalters um wenigstens eine vorgegebene Drehachse zu drehen und für jeweilige Drehpositionen Charakterisierungsdaten zu bestimmen.
Zweckmäßig können die Charakterisierungsdaten so genannte BRDF-Daten sein, die eine die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe hinsichtlich optischer Reflektionseigenschaften oder/und optischer Streueigenschaften charakterisierende bidirektionale Reflexionsverteilungsfunktion (Bidirectional Reflectance Distribution Function) repräsentieren. In diesem Zusammenhang wird vor allem daran gedacht, dass die BRDF-Daten eine Intensitätsverteilung unter verschiedenen Ausfall-Elevationswinkeln und Ausfall-Azimutwinkeln von der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe reflektierter oder/und gestreuter Anteile optischer Strahlung für i) einen Einfall-Elevationswinkel oder mehrere Einfall-Elevationswinkel eines Einfall-Elevationswinkelbereichs und ii) einen Einfall-Azimutwinkel oder mehrere Einfall-Azimutwinkel eines Einfall-Azimutwinkelbereichs repräsentieren, wobei der Ausfall-Elevationswinkel einem Ausfallwinkel der Strahlung von einer Oberfläche der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe entspricht und der Ausfall-Azimutwinkel einem Winkel zwischen einer zur Oberfläche orthogonalen Ausfallebene und einer in der Oberfläche liegenden Bezugsachse der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe entspricht.
Auf Basis des erfindungsgemäßen Reflektometers stellt die Erfindung auch ein Verfahren zur Charakterisierung von Materialien oder Materialoberflächen hinsichtlich wenigstens eines von optischen Streueigenschaften und optischen Reflektionseigenschaften umfassender optischer Eigenschaften unter Verwendung eines Reflektometers bereit. Für ein solches Verfahren wird vorgeschlagen, dass es die folgenden Schritte umfasst:

a) Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Reflektometers;
b) erforderlichenfalls Kalibieren des Reflektometers;
c) Mittels des oder eines Probenhalters des Reflektometers: Positionieren wenigstens einer Materialprobe oder Materialoberflächenprobe in dem Raumbereich des dem Probenhalter zugeordneten optischen Fokus;
d) Richten optischer Strahlung der optischen Strahlungsquelle über den optischen Zuführungsweg auf die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe;
e) Erfassen aus dem Raumbereich dieses optischen Fokus ausgehen der Strahlung mittels der diffraktiven oder/und refraktiven oder/und reflektiven optischen Anordnung und Zuführen dieser optischen Strahlung in Richtung zu dem Detektor;
f) gewünschtenfalls Filtern, vorzugsweise räumliches Filtern, der in Richtung zu dem Detektor propagierenden optischen Strahlung;
g) Mittels des Detektors: Erfassen, mit zweidimensionaler Auflösung, von auf einen Erfassungsbereich des Detektors fallender optischer Strahlung, die auf der in Richtung zu dem Detektor propagierenden, von der optischen Anordnung zugeführten optischen Strahlung beruht oder dieser entspricht.

Vorteilhaft kann sich das erfindungsgemäße Verfahren durch den folgenden Schritt auszeichnen:

h) Mittels der oder einer Detektionssignale des Detektors empfangenden elektronischen Auswerteeinrichtung und auf Grundlage der zweidimensionalen Auflösung des Detektors und diese Auflösung repräsentierender Signalanteile der Detektionssignale: Bestimmen von Anteilen der aus dem Raumbereich des Fokus ausgehenden optischen Strahlung, die in unterschiedliche Raumrichtungen aus dem Raumbereich ausgehen.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bevorzugt vorgesehen, dass die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe im Raumbereich des optischen Fokus mittels des Probenhalters um wenigstens eine vorgegebene Drehachse gedreht wird, vorzugsweise durch wenigstens einen von der Auswerteeinrichtung angesteuerten Stellmotor, um bezogen auf den feststehenden optischen Zuführungsweg unterschiedliche Einfallwinkel der auf die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe gerichteten optischen Strahlung vorzusehen und über einen Drehwinkelbereich von mindestens 45 Grad, vorzugsweise von mindestens 90 Grad, höchstvorzugsweise von wenigstens 150 Grad die für einen jeweiligen Drehwinkel resultierende optische Strahlung mittels der optischen Anordnung zu erfassen und dem Detektor zuzuführen. Dabei wird vor allem daran gedacht, dass die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe im Raumbereich des optischen Fokus mittels des Probenhalters um zwei vorzugsweise zueinander orthogonale vorgegebene Drehachsen gedreht wird, vorzugsweise durch wenigstens zwei von der Auswerteeinrichtung angesteuerte Stellmotoren, um einerseits einen dem Einfallwinkel auf eine Oberfläche der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe entsprechenden Einfall-Elevationswinkel und andererseits einen Einfall-Azimutwinkel zwischen einer zur Oberfläche orthogonalen Einfallebene und einer in der Oberfläche liegenden Bezugsachse der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe voneinander unabhängig einzustellen und für jeweilige Einfall-Elevationswinkel und Einfall-Azimutwinkel resultierende optische Strahlung mittels der optischen Anordnung zu erfassen und dem Detektor zuzuführen. Es lassen sich so leicht unterschiedliche Einfall-Elevationswinkel und Einfall-Azimutwinkel einstellen.
Bevorzugt ist eine effektive Empfindlichkeit einer den Detektor umfassenden Erfassungsanordnung variabel. Beispielsweise kann eine Integrationszeit einer Detektoranordnung variiert werden. Alternativ oder zusätzlich könnte man an eine Abschwächung der auf den Detektor fallenden Strahlung durch geeignete optische Mittel, wie etwa eine einstellbare Blende, eine Polarisatoranordnung, und ähnliche im Fachgebiet zur definierten Abschwächung optischer Strahlung bekannte Mittel, denken.
Es wird vor allem daran gedacht, dass eine so auf irgendeine Weise variable effektive Empfindlichkeit der Umfassungsanordnung zur Vergrößerung einer Detektionsdynamik verwendet wird. Hierzu wird vorgeschlagen, dass der oben angesprochene Verfahrensschritt g) in Bezug auf eine gegebene Erfassungssituation (etwa in Bezug auf jeweilige Einfall-Elevationswinkel und Einfall-Azimutwinkel) für verschiedene effektive Empfindlichkeiten wiederholt wird und dass hieraus resultierende Daten kombiniert werden.
Die elektronische Auswerteeinrichtung kann aus vom Detektor empfangenen Detektionssignalen eine jeweilige Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe hinsichtlich wenigstens eines von optischen Streueigenschaften und optischen Reflektionseigenschaften umfassender optischer Eigenschaften charakterisierende Charakterisierungsdaten bestimmen. In diesem Zusammenhang kann die elektronische Auswerteeinrichtung wenigstens einen Stellmotor ansteuern, um die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe im Raumbereich des optischen Fokus mittels des Probenhalters um wenigstens eine vorgegebene Drehachse zu drehen und für jeweilige Drehpositionen Charakterisierungsdaten zu bestimmen. Bevorzugt sind die Charakterisierungsdaten so genannte BRDF-Daten, die eine die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe hinsichtlich optischer Reflektionseigenschaften oder/und optischer Streueigenschaften charakterisierende bidirektionale Reflexionsverteilungsfunktion (Bidirectional Reflectance Distribution Function) repräsentieren. Die BRDF-Daten können eine Intensitätsverteilung unter verschiedenen Ausfall-Elevationswinkeln und Ausfall-Azimutwinkeln von der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe reflektierter oder/und gestreuter Anteile optischer Strahlung für i) einen Einfall-Elevationswinkel oder mehrere Einfall-Elevationswinkel eines Einfall-Elevationswinkelbereichs und ii) einen Einfall-Azimutwinkel oder mehrere Einfall-Azimutwinkel eines Einfall-Azimutwinkelbereichs repräsentieren, wobei der Ausfall-Elevationswinkel einem Ausfallwinkel der Strahlung von einer Oberfläche der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe entspricht und der Ausfall-Azimutwinkel einem Winkel zwischen einer zur Oberfläche orthogonalen Ausfallebene und einer in der Oberfläche liegenden Bezugsachse der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe entspricht.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass aus aus den Detektionssignalen bestimmten BRDF-Daten weitere BRDF-Daten extrapoliert oder interpoliert werden, die die hierdurch repräsentierte Intensitätsverteilung um Ausfall-Elevationswinkel oder/und Ausfall-Azimutwinkel ergänzen, für die keine auswertbaren Detektionssignale vorliegen, oder/und die die hierdurch repräsentierte Intensitätsverteilung um Einfall-Elevationswinkel oder/und Einfall-Azimutwinkel ergänzen, für die keine auswertbaren Detektionssignale vorliegen. Solche BRDF-Daten, die extrapolierte BRDF-Daten enthalten, können zweckmäßig für auf der Charakterisierung aufbauende Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise zum Rendern von Objekten in einer dreidimensionalen Bilddarstellung.
Je nach Zweckmäßigkeit kann man vorsehen, dass die BRDF-Daten von relativen BRDF-Daten zu absoluten BRDF-Daten, gewünschtenfalls auf Grundlage von BRDF-Daten für eine Referenz-Materialprobe bzw. Referenz-Materialoberflächenprobe, normiert werden.
Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass für ein jeweiliges Paar von Einfall-Elevationswinkel und Einfall-Azimutwinkel aus den BRDF-Daten eine Hauptreflektionsrichtung hinsichtlich Ausfall-Elevationswinkel und Ausfall-Azimutwinkel bestimmt wird. Dabei kann man vorsehen, dass aus der Hauptreflektionsrichtung und zugehörigen BRDF-Daten ein zugeordneter Reflektionsgrad (R) oder/und ein zugeordneter Transmissionsgrad (T) oder/und ein zugeordnetes Reflektionsgrad-Transmissionsgrad-Verhältnis (V) oder/und ein die Reflektion in die Hauptreflektionsrichtung bestimmender Brechungsindex oder Brechungsindexsprung bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass für ein jeweiliges Paar aus einem Einfall-Elevationswinkel und einem Einfall-Azimutwinkel auf Grundlage von vorgegebenen optischen Daten der Materialprobe oder Materialoberflächenprobe eine Hauptreflektionsrichtung hinsichtlich Ausfall-Elevationswinkel und Ausfall-Azimutwinkel berechnet wird.
Auf Basis der Bestimmung bzw. Berechnung der Hauptreflektionsrichtung oder einfach nur durch Anwendung einer Schwellwertbedingung kann man vorteilhaft erreichen, dass der/einer Hauptreflektionsrichtung entsprechende BRDF-Daten aus einem BRDF-Datensatz für ein jeweiliges Paar aus einem Einfall-Elevationswinkel und einem Einfall-Azimutwinkel eliminiert werden. Dies kann dann von Interesse sein, wenn es vor allem um die Streueigenschaften eines Objektes entsprechend der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe geht. Der Hauptreflektionsrichtung entsprechende Streudaten des BRDF-Datensatzes könnten durch Extrapolation oder Interpolation er gänzt werden.
Demgegenüber wird aber vor allem daran gedacht, dass der BRDF-Datensatz, aus dem die der Hauptreflektionsrichtung entsprechenden BRDF-Daten eliminiert sind, um eine Reflektion in der Hauptreflektionsrichtung definierende Reflektionsdaten ergänzt wird. Die Reflektionsdaten können gegenüber den aus dem ursprünglichen BRDF-Datensatz eliminierten BRDF-Daten modifiziert sein oder auf Grundlage gewünschter Spiegelungseigenschaften bestimmt sein. Diesbezüglich wird speziell vorgeschlagen, dass die Reflektionsdaten eine perfekte Spiegelung an einer Oberfläche mit einem vorgegebenen oder aus den BRDF-Daten bestimmten Brechungsindexsprung gemäß den Fresnel'schen Formeln definieren. Der BRDF-Datensatz, aus dem die ursprünglichen, der Hauptreflektionsrichtung entsprechenden BRDF-Daten eliminiert sind, und die ergänzten Reflektionsdaten bilden bevorzugt zusammen einen modifizierten BRDF-Datensatz, der in auf der Charakterisierung aufbauenden Anwendungen eingesetzt werden kann.
Vorteilhaft können sich bei den BRDF-Daten die Einfall- und Ausfall-Elevationswinkel und Einfall- und Ausfall-Azimutwinkel auf ein orthogonales Koordinatensystem beziehen, welches eine in der/einer Oberfläche der Materialprobe bzw. der Materialoberflächenprobe liegende Achse und eine zu der Oberfläche orthogonale Achse aufweist. Es kann sich um ein Kugelkoordinatensystem handeln.
Besonders zweckmäßig können aus diesen BRDF-Daten koordinatentransformierte BRDF-Daten berechnet werden, bei denen sich die Einfall- und Ausfall-Elevationswinkel und Einfall- und Ausfall-Azimutwinkel auf ein anderes orthogonales Koordinatensystem beziehen, welches eine sich in der Hauptreflektionsrichtung erstreckende Achse aufweist. Bei dem anderen Koordinatensystem kann es sich ebenfalls um ein Kugelkoordinatensystem handeln.
Die Koordinatentransformation zu dem anderen Koordinatensystem kann insbesondere die angesprochene Extrapolation bzw. Interpolation erleichtern, also mathematisch weniger aufwändig gestalten.
Weiterbildend wird vorgeschlagen, dass für die koordinatentransformierten BRDF-Daten eine weitere Koordinatentransformation durchgeführt wird, derart, dass Einfallwinkel-abhängige Winkelintervalle für Ausfallwinkel auf Einfallwinkel-unabhängigen Winkelintervalle für Ausfallwinkel abgebildet werden. Eine solche zusätzliche Koordinatentransformation ist besonders wirkungsvoll zur Vereinfachung der angesprochenen Extrapolation bzw. Interpolation. Es lassen sich besonders einfache Interpolationsverfahren bzw. Interpolationsalgorithmen einsetzen.
Wie kurz schon angesprochen, wird bevorzugt daran gedacht, dass die Extrapolation bzw. Interpolation auf Grundlage der koordinatentransformierten BRDF-Daten bzw. der der weiteren Koordinatentransformation unterzogenen, koordinatentransformierten BRDF-Daten durchgeführt wird. Vor allem wird daran gedacht, dass die Extrapolation bzw. Interpolation in Form einer trilinearen Extrapolation bzw. trilinearen Interpolation auf Grundlage der der weiteren Koordinatentransformation unterzogenen, koordinatentransformierten BRDF-Daten durchgeführt wird.
Auf Basis des erfindungsgemäßen Charakterisierungsverfahrens stellt die Erfindung ferner ein Verfahren zum Rendern einer simulierten dreidimensionalen Szene auf einem Bild-Ausgabegerät oder Bild-Ausgabemedium oder zum Erzeugen von der dreidimensionalen Szene entsprechenden Bilddaten, auf deren Grundlage die dreidimensionale Szene auf einem Bild-Ausgabegerät oder Bild-Ausgabemedium ausgebbar ist, bereit. Das Renderverfahren umfasst das erfindungsgemäße Charakterisierungsverfahren zur Charakterisierung von Materialien oder Materialoberflächen hinsichtlich wenigstens eines von optischen Streueigenschaften und optischen Reflektionseigenschaften umfassender, für das Rendern relevanter optischer Eigenschaften, um eine Szene mit einer einer realistischen Darstellung zumindest angenäherten, idealerweise realistischen Darstellung wenigstens eines Szene-Objekts zu rendern, welches wenigstens ein charakterisiertes Material oder wenigstens eine charakterisierte Materialoberfläche aufweist. Es wird beispielsweise an das Rendern von photoartigen Darstellungen für werbliche Anwendungen gedacht, etwa eines Automobils in einer bestimmten Umgebung unter einer bestimmten Beleuchtung. Es kann sich beispielsweise um eine Szene handeln, bei der das Objekt (etwa Automobil) in einer Umgebung dargestellt wird, in der es in der Realität normalerweise nicht angetroffen wird, etwa auf einer Bergwiese, einem Gletscher oder dergleichen.
Es wird vor allem daran gedacht, dass das Rendern auf Basis von BRDF-Daten bzw. koordinatentransformierten BRDF-Daten bzw. einer weiteren Koordinatentransformation unterzogener, koordinatentransformierter BRDF-Daten bzw. extrapolierter bzw. interpolierter BRDF-Daten und gewünschtenfalls zu den BRDF-Daten ergänzter Reflektionsdaten erfolgt.
Die Erfindung stellt ferner ein System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereit, umfassend wenigstens ein erfindungsgemäßes Reflektometer und wenigstens eine Verfahrensschritte des Verfahrens programmgesteuert durchführende Prozessoranordnung als Bestandteile des erfindungsgemäßen Systems. Wenigstens ein Computer zum Aufbereiten und Verarbeiten von Detektionssignalen und ggf. Bereitstellen und Transformieren bzw. Extrapolieren/Interpolieren von BRDF-Daten sowie ggf. zum Rendern von dreidimensionalen Szenen oder wenigstens ein für das Rendern bestimmter weiterer Computer als in Frage kommende weitere Systembestandteile können unabhängig vom Reflektometer und unabhängig voneinander an verschiedenen Standorten bereitgestellt sein, wobei Daten mittels Datenträgern oder Datenverbindungen zwischen den Systembestandteilen überführbar sind.
Die Erfindung, deren Voraussetzungen und mögliche Anwendungen der Erfindung werden im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit beispielhaft anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen und Diagrammen näher erläutert.
1 zeigt einen schematischen Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Reflektometers.
2 zeigt in Teilfigur 2a eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Reflektometers und in Teilfigur 2b eine andere Ausführung eines Ellipsoidspiegels des Reflektometers.
3 zeigt in Teilfigur 3a eine perspektivische Detailansicht eines Probenhalters des Reflektometers gemäß 2 und in Teilfigur 3b eine andere Ausführung des Probenhalters des Reflektometers.
4 zeigt schematisch den geometrischen Aufbau des Reflektometers in Draufsicht.
5 zeigt verschiedene Vektorgrößen, mittels denen die Reflektion und Streuung von Strahlung, die auf eine mittels des Reflektometers zu charakterisierende Probe trifft, mathematisch beschrieben werden kann.
6 veranschaulicht eine für eine Interpolation/Extrapolation von Messpunkten zweckmäßige zweifache Koordinatentransformation.
7 zeigt schematisch ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Spektrometers, bei dem anstelle von Spiegelelementen eine Linsenanordnung verwendet wird.
8 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels für ein Verfahren zur Charakterisierung von Materialien und Materialoberflächen mittels der BRDF.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit werden im Folgenden Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf einen speziellen Anwendungskontext beschrieben, in dem die Erfindungs- und Weiterbildungsvorschläge vorteilhaft zum Einsatz kommen können, nämlich die so genannte „Lichtsimulation”, die heutzutage in den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten eingesetzt wird. Diese reichen beispielsweise von einer einfachen Visualisierung im Produktdesign und der Architektur über die photorealistische Visualisierung in der Werbe- und Filmindustrie bis hin zu quantitativen Analysen in der Produktentwicklung und -verifikation. Man könnte annehmen, dass die Güte einer Lichtsimulation vor allem von dem verwendeten Lichtmodell und dem verwendeten mathematischen Simulationsverfahren abhängt. Demgegenüber wurde von den Erfindern erkannt, dass auch die Genauigkeit der Eingabedaten, der so genannten Szenenbeschreibung, von großer Bedeutung ist. Eine Szene beinhaltet Beschreibungen unter anderem der Geometrie und des Abstrahlverhaltens von Lichtquellen, der Geometrie und der Lichtreflektions-Eigenschaften und Lichtstreu-Eigenschaften von Objekten und ggf. die Detektionseigenschaften von Sensoren, deren Reaktion mit Hilfe der Lichtsimulation bestimmt werden sollen. Je präziser die Realität in der Szene beschrieben ist, desto höher ist die Qualität und Aussagekraft der Simulationsergebnisse.
Die Spezifikation von Lichtstreu-Eigenschaften von in einer Szene vorkommenden Materialien ist somit ein wesentlicher Bestandteil der Szenenbeschreibung. Der visuelle Eindruck eines Objektes wird maßgeblich von diesen Lichtstreu-Eigenschaften bestimmt.
Die Beschreibung der Lichtstreu-Eigenschaften eines Materials kann zweckmäßig mit Hilfe der so genannten BRDF (Bidirecitonal Reflectance Distribution Function, bidirektionale Reflektionsverteilungsfunktion) erfolgen, die für jede interessierende Lichteinfallsrichtung spezifiziert, wie viel Licht in jede interessierenden Ausfallsrichtung gestreut wird. Für isotrope Materialien ist die BRDF eine dreidimensionale Funktion, und für anisotrope Materialien eine vierdimensionale Funktion. Sollen zusätzlich noch Wellenlängenabhängigkei ten berücksichtigt werden, ist die BRDF sogar eine vier- bzw. fünfdimensionale Funktion. Dementsprechend ist die synthetische Nachmodellierung realer Materialien komplex und langwierig, selbst wenn es nur darum geht, den visuellen Eindruck des Materials nachzuahmen. In der Praxis ermöglicht die Verwendung von Messungen der Lichtstreu- und Lichtreflektionseigenschaften realer Materialien, Lichtsimulationen für quantitative Analysen überhaupt nutzen zu können. Ferner können so photorealistische Visualisierungen effizienter und naturgetreuer generiert werden.
Es besteht ein praktischer Bedarf für gemessene BRDFs jeweiliger Materialien, und es existieren verschiedene Ansätze für BRDF-Scanner. Entsprechende Messdienstleistungen und praktisch einsetzbare BRDF-Scanner sind demgegenüber am Markt aber bisher kaum zu finden. Der Hauptgrund hierfür dürfte sein, dass gemäß herkömmlichen Ansätzen bereitstellbare Messergebnisse nur unzureichend für den späteren Einsatzzweck der Lichtsimulation sind, oder aber darin, dass die Vermessungen gemäß herkömmlichen Ansätzen so aufwändig und damit kostenintensiv sind, dass ein Einsatz in der Praxis nicht in Betracht kommt. Zu den Kosten dürften insbesondere lange Messzeiten beitragen, da in der Regel immerhin wenigstens drei Dimensionen hinreichend dicht abzutasten sind. Ferner sind die auftretenden Kosten auch stark von dem apparativen Aufwand abhängig. Es besteht daher ein Bedarf für ein strukturell vergleichsweise einfaches Reflektometer, mit dem die optischen Eigenschaften von Materialien charakterisiert werden können, beispielsweise durch Bereitstellung entsprechender BRDF-Daten. Ein solches Reflektometer kann zweckmäßig auch in völlig anderen Anwendungssituationen als der hier angesprochenen Lichtsimulation vorteilhaft zum Einsatz kommen.
In 1 ist ein erfindungsgemäßes Reflektometer mit 1 bezeichnet. Die Ansteuerung des Reflektometers 1 erfolgt über eine Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 2, die Messdaten vom Reflektometer empfängt und auswertet. Als Ergebnis der Auswertung werden eine Materialprobe charakterisierende, eine BRDF repräsentierende BRDF-Daten bereitgestellt, die von einem Ver arbeitungs-PC beispielsweise zum Rendern verschiedenster Motive verwendet werden können. Dabei ist es selbstverständlich auch möglich, Steuerungs- und Auswerteeinrichtung sowie den Verarbeitungsrechner in ein gemeinsames Rechnersystem zu integrieren.
Die von der Auswerteeinrichtung 2 erstellte BRDF ergibt sich aus der Strahldichte L(x, ω_i), die auf einen Oberflächenpunkt x aus dem Raumwinkel dσ_x(ω_i) auftrifft. Dann ist die in Richtung ω₀ gestreute Strahldichte dL₀(x, ω₀, λ) mit Wellenlänge λ proportional zur auftreffenden Strahldichte L(x, ω_i) und dem projizierten Raumwinkel dσ_x(ω_i). Hieraus ergibt sich die Definition der bidirektionalen Streuverteilungsfunktion (BSDF, Bidirectional Scattering Distribution Function)
mit der Einheit 1/sr.
Die BDSF beschreibt das gesamte Lichtstreu-Verhalten, also das Reflexions-(BRDF) und Transmissionsverhalten (BTDF) einer Oberfläche. Nachfolgend wird ω_i als Beleuchtungsrichtung und ω₀ als Messrichtung bezeichnet.
Das Reflektometer 1 kann auf Basis einer diffraktiven oder/und refraktiven oder/und reflektiven optischen Anordnung realisiert sein, wobei vor allem an eine Spiegelanordnung oder/und eine Linsenanordnung gedacht wird. Bevorzugt ist eine Spiegelanordnung, umfassend wenigstens einen Spiegel. Es wird dabei bevorzugt an einen Spiegel in Form eines Ellipsoids gedacht, der zwei Brennpunkte aufweist und diese ineinander abbildet. Hierdurch wird ermöglicht, dass eine im ersten Brennpunkt angeordnete Materialprobe beleuchtet wird und dass durch die Materialprobe gestreutes bzw. reflektiertes Licht durch den Ellipsoidspiegel 5 erfasst und in den zweiten Brennpunkt reflektiert wird. Es kann dann beispielsweise ein Flächensensor direkt ohne zusätzliche Optik die vom Spiegel reflektierten Messrichtungen oder zumindest eine größere Anzahl der vom Spiegel reflektierten Messrichtungen simultan erfassen bzw. messen, wofür der Flächensensor idealerweise mit einem gewissen Abstand zum zweiten Brennpunkt auf der Hauptachse des Ellipsoidspiegels angeordnet wird.
Vorteilhaft kann im zweiten Brennpunkt des Ellipsoidspiegels 5 eine Lochblende positioniert werden. Dies ermöglicht mit Hilfe der gewählten Blendengröße, die vom Sensor „gesehene” Probenfläche einzustellen. So kann beispielsweise eine Mittelung über die Probenfläche erreicht werden, etwa zur Mittelung von Mikroeffekten eines zu vermessenden pigmentierten Autolacks. Anstelle einer einfachen Lochblende 17 kann auch vorteilhaft ein Objektiv, etwa in der Art eines normalen Kameraobjektivs, eingesetzt werden, um die Schärfe der Messung zu steigern.
Eine Lochblende bzw. ein Objektiv ist auch insoweit vorteilhaft, als dass eine nicht perfekte Kalibrierung des Systems sich weniger stark im Sinne einer Verfälschung des Messergebnisses auswirkt. Auch trägt eine solche Lochblende der Tatsache Rechnung, dass die Probe praktisch nicht nur punktuell, sondern stets an einer kleinen Fläche beleuchtet werden wird. Durch die Lochblende wird die Auflösung vergrößert und gleichzeitig vermieden, dass auftretendes Falschlicht die Messergebnisse nennenswert verfälscht.
Das in 2 gezeigte Reflektometer 1 kann mehrere Messrichtungen gleichzeitig erfassen, anstatt sämtliche Messrichtungen einzeln anzusteuern. Hierdurch sinkt die Anzahl der separat abzutastenden Dimensionen auf eine Dimension für isotrope und und zwei für anisotrope Materialien.
Das Reflektometer 1 gemäß 2 basiert auf einem Ellipsoidspiegel 5 als abbildendes optisches Element. Die Beleuchtung der Probe 6 erfolgt durch eine Öffnung 8 im Ellipsoidspiegel 5 senkrecht zur Hauptachse des Spiegels. Die Probe 6 wird von einem Probenhalter 7 im ersten Brennpunkt des Ellipsoidspiegels gehalten. Der Probenhalter 7 umfasst einen durch eine auf der Hauptachse liegende Öffnung im Ellipsoidspiegel 5 führenden Probenarm 13. Hierdurch werden die nicht messbaren Bereiche minimiert, und gleichzeitig ermöglicht dies die Messung von strahlungsdurchlässigen Materialien.
Zusätzlich ist es optional möglich, den Probenhalter 7 dafür auszuführen, die Charakterisierung von Transmissionseigenschaften der Probe zu ermöglichen. Dazu kann beispielsweise der zweite Verstellabschnitt 15, der in 3 in Form eines die Probe aufnehmenden Schlittens ausgeführt ist, mit einem Loch versehen werden, so dass durch die Probe transmittierte Strahlung mittels des Ellipsoidspiegels 5 (2) einem Detektor 3 zugeführt werden kann. Alternativ kann auch daran gedacht werden, anstelle eines Lochs im Probenschlitten 15 für den Probenschlitten ein Material mit hoher Transmission (z. B. Glas) zu verwenden. Um die durch die Probe transmittierte Strahlung dem Detektor 3 zuzuführen, wird der Ellipsoidspiegel 5 bevorzugt derart ausgelegt, dass er sich bezüglich der Umfangsrichtung um seine Hauptachse über einen großen Winkelbereich α exemplarisch, vorzugsweise 360° (vgl. 2a), erstreckt. 2b zeigt eine Variante mit einem Umfangswinkel α von etwa 300°.
Um die Winkelgenauigkeit der Messungen zu verbessern, ist es vorteilhaft, mit Hilfe der Blende 17 einen kleineren Teil der Probe zu betrachten. Es ist allerdings auch möglich, das gesamte System in der Größe zu skalieren. Ein Ellipsoidspiegel 5 und damit eine größere Distanz zwischen Probe und Spiegel bedingt eine höhere Winkelgenauigkeit.
Zur Erzeugung von optischer Strahlung wird eine Strahlungsquelle 9 verwendet, die idealerweise einen möglichst kleinen Bereich der Probe 6 mit möglichst parallelem Licht sehr stark beleuchtet. In der Praxis hat sich allerdings gezeigt, dass Materialproben häufig inhomogen hinsichtlich der Position auf der Probe sind. Ein Beispiel dafür sind Metallic-Lacke, bei denen die makroskopische Wirkung durch feine Pigmente in der Lackschicht erzeugt wird. Um die makroskopische Wirkung solcher Materialien zu messen, muss über eine entsprechende Fläche gemittelt werden. Dies kann erreicht werden, indem mehrere Messungen gemittelt werden und/oder bereits eine Messung eine entsprechende Fläche berücksichtigt. Bei BRDF-Reflektometern, die Reflektoren ohne abbildende optische Elemente nutzen, ist die Größe der vermessenen Fläche über die Lichtquelle einstellbar. Anderfalls genügt es, eine hinreichend große Fläche zu beleuchten und die vermessene Fläche über die abbildenden optischen Elemente festzulegen.
Zur Messung der von der Probe gestreuten Leuchtdichte wird der Detektor 3 verwendet. Hierfür können beispielsweise digitale Sensoren genutzt werden, wie sie in Form von CCD- bzw. CMOS-Sensoren in Digitalkameras Verwendung finden.
Im Allgemeinen sind die Lichtstreu-Eigenschaften eines Materials abhängig von der Wellenlänge des eintreffenden Lichts. Im Anwendungsgebiet der photorealistischen Bildsynthese ist es zumeist hinreichend, die drei Farbkanäle rot, grün und blau zu betrachten. Die Lichtsimulation erfolgt somit im RGB-Farbraum, so dass auch die BRDF lediglich in diesem RGB-Farbraum vorliegen muss. Digitalkameras haben üblicherweise unterschiedliche Sensorelemente für rot, grün und blau, so dass mit solchen Sensoren direkt im RGB-Farbraum direkt gemessen wird.
Für andere Anwendungen kann es allerdings sinnvoll sein, die BRDF feiner abgestuft zu messen. Digitale Sensorelemente sich durch ihre spektralen Kennlinien (Empfindlichkeitskurven) charakterisiert. Die spektrale Kennlinie eines Sensorelements gibt an, wie dieses Sensorelement auf einfallendes Licht in Abhängigkeit von dessen Wellenlänge reagiert. Der von einem Sensorelement gelieferte Wert lässt sich als Integral über alle Wellenlängen vom Produkt der spektralen Kennlinie und der auf den Sensor fallenden Strahlung mathematisch bestimmen. Um mit Hilfe eines solchen Sensorelements eine feinere Aufteilung des einfallenden Lichts zu erhalten, können mehrere Messungen durchgeführt werden, wobei vor dem Sensor unterschiedliche Filter mit bekannten spektralen Kennlinien gesetzt werden.
Für eine hohe Messgenauigkeit und anschließende Rekonstruktion der BRDF anhand der Messergebnisse sollte das System gut kalibriert werden. Basis der Kalibrierung ist die Hauptachse des Ellipsoidspiegels 5 und dessen Brennpunkte. Bezogen auf das hier behandelte Ausführungsbeispiel sollte bei der Kalibrierung auf Folgendes geachtet werden:

• Der Messpunkt der Probe 6 liegt im ersten Brennpunkt.
• Der Probenarm ist parallel zur Hauptachse ausgerichtet und so um die Hauptachse drehbar, dass der Messpunkt im ersten Brennpunkt bleibt.
• Die Strahlungsquelle 9 ist so positioniert, dass sie die Probe 6 im Messpunkt beleuchtet und die Strahlung senkrecht zur Hauptachse auftrifft.
• Die optische Achse des Detektorsystems liegt auf der Hauptachse.
• Die Blende des Detektors liegt im zweiten Brennpunkt.

Bevorzugt wird das System zunächst grob kalibriert. Hierbei ist es hilfreich, die Hauptachse mit Hilfe eines Lasers zu markieren. Die eigentliche Feinkalibrierung des Systems kann anhand einer fein gestreiften Probe erfolgen, wobei die farbigen Streifen senkrecht zur Hauptachse laufen. Aufgrund der Eigenschaften eines Ellipsoidspiegels, beide Brennpunkte ineinander abzubilden, sind Probenarm, Strahlungsquelle 9 und Detektorsystem 3 nun so zu justieren, dass für jeden beliebigen Einfallswinkel möglichst wenige Farben vom Sensor detektiert werden.
3 zeigt den Probenhalter 7. Der Probenhalter (vgl. 3a) weist einen armartigen Basisabschnitt 11 und einen gegenüber dem Basisabschnitt verstellbaren, die Probe 6 aufnehmenden ersten Verstellabschnitt 13 in Form eines Drehtellers auf, der gegenüber dem armartigen Basisabschnitt 11 verdrehbar ist. Der erste Verstellabschnitt 13 weist einen weiteren zweiten Verstellabschnitt 15 in Form eines die Probe aufnehmenden Schlittens auf, der gegenüber dem ersten Verstellabschnitt 13 linear verstellbar ist. Für den Probenhalter 7 sind somit folgende Einstellungen möglich:

• Durch Rotation des Basisabschnitts 11 in Richtung R1 wird der Elevations-Einfallswinkel variiert.
• Durch lineare Bewegung des zweiten Verstellabschnitts 15 in Richtung R4 können verschiedene Messpunkte auf der Probenoberfläche vermessen werden. Alternativ oder zusätzlich ist dies auch durch eine lineare Bewegung des Probenhalters in Richtung R2 möglich, was insbesondere für isotrope Proben sinnvoll sein mag.
• Durch Rotation des Verstellabschnitts 13 in Richtung R3 ist es möglich, den Azimut-Einfallswinkel zu variieren. Durch vorangehende Einstellung des Probenhalters in der Richtung R2 kann dabei erreicht werden, dass bei der Drehung der Auftreffpunkt der optischen Strahlung auf die Probe im Wesentlichen unverändert bleibt.
• Des weiteren ist es möglich, durch lineare Bewegung des Probenhalters 7 in Richtung R5 den Fokus auf der Probenoberfläche optimal einzujustieren. Beim Ausführungsbeispiel ist die Richtung R5 unabhängig von der momentanen Drehstellung gemäß Pfeil R1 stets orthogonal zu einer die Probe aufnehmenden Oberfläche des Schlittens 15.

Beispielsweise kann der Probenhalter 7 hinter dem Ellipsoidspiegel 5 linear verstellbar auf einem Drehrad angebracht sein. Durch lineares Verstellen (Richtung R5) des Probenhalters wird der zu charakterisierende Punkt – etwa zur Berücksichtigung einer jeweiligen Probenhöhe – auf der Probenoberfläche so einjustiert, dass er sich im ersten Brennpunkt F1 des Ellipsoidspiegels 5 befindet. Durch Rotation des Drehrads kann dann der Einfalls-Elevationswinkel variiert werden, ohne dass der zu charakterisierende Punkt der Probenoberfläche aus dem Brennpunkt F1 rückt.
In 3b ist eine alternative Ausführungsform des Probenhalters 21 gezeigt, bei dem der erste und zweite Verstellabschnitt durch etwa greifarmartige oder greifzangenartige Halter oder Greifer 23, 25 ersetzt sind, die eine Verlängerung des armartigen Basisabschnitts 11b des Probenhalters 21 bilden. Dies ermöglicht es, auch besonders großflächige, insbesondere isotrope Proben 15b in dem erfindungsgemäßen Reflektometer zu untersuchen, welche dazu direkt durch die Greifer 23, 25 gehaltert werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, anstelle von den in 3b gezeigten zwei Greifern die Anzahl sowie die genaue Ausführungsform der Greifer bzw. Halter zu variieren. Beispielsweise könnte auch nur ein Greifer bzw. Halter vorgesehen sein. Es könnte auch eine völlig andere Halteeinrichtung vorgesehen sein. Zu beachten ist, dass in dieser Ausführungsform oder anderen in Betracht kommenden Ausführungsformen in Abweichung von der Lösung gemäß 3a der Azimut-Einfallswinkel (φ_in) nicht variiert werden kann, was aber für isotrope Proben keine Rolle spielt.
In 4 ist die geometrische Anordnung des Reflektometers 1 detailliert gezeigt. Der Ellipsoidspiegel 5 bildet von der im ersten Brennpunkt F1 beleuchteten Probe 6 reflektierte Strahlung durch die im zweiten Brennpunkt F2 senkrecht zur Hauptachse des Ellipsoiden 5 positionierte Blende 17 auf den dahinter liegenden Detektor 3 ab.
Die kanonische Weise, eine isotrope BRDF zu parametrisieren, ist in 5 dargestellt. Der Einfalls-Elevationswinkel ist mit θ_in bezeichnet, der Ausfalls-Elevationswinkel mit θ. Es bietet sich an, Ein- und Ausfall-Azimutwinkel relativ zur Projektion des einfallenden Strahls auf die Probenachse zu definieren, d. h. bezüglich der so definierten Bezugsachse ist der Einfall-Azimutwinkel immer gleich Null, und der Ausfall-Azimutwinkel ist mit Φ bezeichnet. Neben dem Einfalls-Elevationswinkel werden die Messrichtungen ω mittels des Winkels θ zur Normalen n = z der Materialoberfläche und dem Winkel φ zwischen der Einfallsebene zx-Ebene und der ωz-Ebene parametrisiert. Das in 3 dargestellte Koordinatensystem lässt sich im Reflektor-System verankern: Die Richtung der y-Achse ist die Hauptachse des Ellipsoiden und die Orientierung geht vom Detektor zum Spiegel. Wie bereits erwähnt, bildet die Normale der Oberfläche einer Materialprobe die z-Achse.
Um die Detektorposition des Messwerts bezüglich der durch (φ, θ) gegebenen Messrichtung
zu berechnen, benötigt man zunächst den Winkel β = arccos(ω·y) zwischen ω und y. Alle Messrichtungen mit gleichem Winkel β befinden sich in der gleichen Entfernung zur Hauptachse des Ellipsoidspiegels 5. Dasselbe gilt folglich auch für ihre Abbilder auf den Detektor 3. Für die Berechnung der Entfernung der auf einen Sensorpunkt abgebildeten Messrichtung ω zur Hauptachse des Ellipsoidspiegels 5 genügt es aufgrund der Rotationssymmetrie des Ellipsoidspiegels, einen in 4 dargestellten zweidimensionalen Schnitt durch das System zu betrachten. Für einen gegebenen Winkel β muss zunächst der Schnittpunkt des durch β festgelegten Strahls
mit der Ellipse berechnet werden. Einsetzen in die Ellipsengleichung
ergibt unter der Verwendung von e2 = a2 – b2 für die Entfernung e der beiden Brennpunkte zum Mittelpunkt der Ellipse und nach kurzer Umformung für den Parameter t_β des Schnittpunktes t2 β(b2 + e2sin2β) + 2tβ(b2ecosβ) – b4 = 0
Da für den gesuchten Schnittpunkt t_β positiv sein muss, ergibt sich wiederum
und für den Schnittpunkt
Aufgrund der Strahlensätze erfolgt nun für die Entfernung r_β des auf die Detektorebene abgebildeten Schnittpunktes s_β (t_β) zur Hauptachse des Ellipsoiden
wobei d der Abstand des Sensors zum zweiten Brennpunkt F2 ist. Für den Winkel α zwischen Einfalls- und ωy-Ebene erhält man
nach Projektion von ω auf die yz-Ebene.
Sei y_kamera = y und x_Kamera = ω_in das zweidimensionale Kamera-Koordinatensystem mit Ursprung auf die Hauptachse des Ellipsoiden. Als Sensorposition D(φ, θ) der Messrichtung Ω bezüglich φ und θ ergibt sich somit im Kamerakoordinatensystem
Die durchgeführte Berechnung der Detektorposition r_β für eine gegebene Messrichtung erfolgte unter der Annahme, dass das gesamte System perfekt kalibriert ist und lediglich eine Lochblende benutzt wird. Leichte Abweichungen von der perfekten Kalibrierung lassen sich kompensieren, sofern das Probenmaterial bevorzugt in die Hauptreflexionsrichtung streut. Mit Hilfe von Lichteintrittspunkt am Ellipsoidspiegel, Beleuchtungspunkt und Schnittpunkt der Hauptreflexionsrichtung mit dem Ellipsoidspiegel 5, die allesamt im Bild des Detektors erkennbar sind, lassen sich die verwendeten Koordinatensysteme entsprechend anpassen. Wird ein Objektiv verwendet, dann können ggf. störende Verzerrungen des Objektivs korrigiert werden. Der Parameter d ist entweder durch eine Objektivkalibrierung bestimmbar, oder aber kann ebenfalls mittels der oben genannten Punkte gewonnen werden. Mit Hilfe der Zuordnung von Messrichtungen zu Detektorpositionen lässt sich die BRDF mit äquidistanten Stützstellen in β_in, φ und θ erzeugen.
In der Regel wird es allerdings nicht möglich sein, jede Kombination aus Einfalls- und Messrichtung zu messen. Unabhängig von dem Aufbau eines Reflektometers sind Messwerte für flache Messrichtungen, die nahezu senkrecht zur Normalen der Probenoberfläche stehen, nicht nutzbar. In der Regel wird in diese Richtungen nur wenig Licht gestreut, so dass die Messwerte ein erhöhtes Rauschen aufweisen. Zusätzliche Beschränkungen treten auf, wenn eine Materialprobe keine exakt plane Oberfläche aufweist, beispielsweise gekrümmt ist oder eine leicht gewellte Oberfläche aufweist, wie dies beispielsweise bei Klarlackschichten von Autolacken häufig der Fall ist. Solche Messbereiche müssen daher auf Grundlage von weniger flachen Messrichtungen entsprechend extrapoliert werden, sofern entsprechende BRDF-Daten benötigt werden.
Aufgrund des Aufbaus des Reflektometers 1 unter Verwendung eines Ellipsoidspiegels 5 ergeben sich weitere zwei Bereiche von Messrichtungen, wo keine Daten vorliegen.
Zum einen wird nicht die gesamte Hemisphäre über der Materialprobe gemessen, weil der Ellipsoidspiegel 5 nur einen Teil davon abdeckt. Diesbezüglich kann der Umstand ausgenutzt werden, dass zur Einstellung des Einfallswinkels θ_in zwei Positionen der Probe 6 möglich sind. Die eine Positioin streut mehr in die obere Hälfte des Ellipsoidspiegels 5, und die andere Position in die untere Hälfte des Ellipsoidspiegels 5, wobei die gültigen Messrichtungen der einen Position jeweils die fehlenden der anderen abdeckt. Dabei ist zu beachten, dass im Falle einer anisotropen Messung die Probe beim Anfahren der zweiten Position entsprechend um die eigene Normale gedreht werden muss. Unter der Annahme einer bezüglich der Einfallsebene spiegelsymmetrischen BRDF kann allerdings auf die zweite Messung verzichtet werden.
Zum anderen liegen keine Messwerte für die Öffnung 8 im Spiegel vor. Im Bereich der Öffnung 8 können die Werte durch Interpolation gültiger Werte nahe der Öffnung 8 rekonstruiert werden.
Ebenfalls ist die Messung bestimmter Einfallswinkel nicht möglich. Für flache Einfallswinkel gilt dasselbe wie für flache Ausfallswinkel. Anzumerken ist jedoch, dass das Reflektometer 1 mit Blende 17 bzw. Objektiv gegenüber anderen Ansätzen einen entscheidenden Vorteil besitzt: je nach Einfallswinkel wird ein unterschiedlich großer Bereich der Probe beleuchtet. Aufgrund der Blende beeinflusst aber stets dieselbe, im Allgemeinen im Vergleich zu der Beleuchtungsfläche kleinere Fläche der Probe die Messung, so dass insbesondere die Winkelgenauigkeit nicht vom Einfallswinkel abhängt. Ein zweiter kritischer Bereich sind Einfallsrichtungen, die nahezu parallel zur Probennormalen liegen. Die Strahlungseintrittsöffnung verhindert hier die Messung des Bereichs um die Hauptreflektionsrichtung. Da in diesen Bereich im Allgemeinen aber das meiste Licht gestreut wird und somit dieser Bereich der wichtigste ist, wird eine Interpolation wie oben beschrieben nicht möglich sein. Die Werte für fehlende Einfallswinkel lassen sich am zuverlässigsten aus den übrigen gut messbaren Einfallswinkeln rekonstruieren.
Da die BRDF-Daten nur Werte an bestimmten Stützstellen enthalten, müssen aus diesen in der Anwendung für gegebene Winkel θ_in, φ und θ die entsprechenden Werte gewonnen werden. Dies umfasst neben der Interpolation zwischen gemessenen Stützstellen auch die Extrapolation hinsichtlich nicht-messbarer Einfallswinkel. Während sich die Werte bezüglich φ und θ einfach interpolieren lassen, führt die einfache Interpolation bezüglich θ_in im Allgemeinen zu sichtbaren Artefakten.
Es wurde erkannt, dass für unterschiedliche Einfallswinkel θ_in nicht Werte mit gleichem φ und θ, sondern eher Werte mit gleichem Winkel zur Hauptreflexionsrichtung korrespondieren. Eine Umparametrisierung der BRDF-Daten ermöglicht es, trotzdem eine einfache trilineare Interpolation innerhalb der Anwendung nutzen zu können. Diese Umparametrisierung ist in 6 dargestellt:
Bislang wurde die Messrichtung in Kugelkoordinaten (φ, θ) bezüglich der Oberflächennormalen parametrisiert. In einem ersten Schritt wird das zugrunde liegende Koordinatensystem so gedreht, dass an die Stelle der Oberflächennormalen nur die Hauptreflektionsrichtung tritt (Schritt T1). Die Kugelkoordinaten einer Messrichtung bezüglich der Hauptreflektionsrichtung sind (φ', θ'). Der Polarwinkel θ' gibt nun direkt den Winkel zwischen Messrichtung und Hauptreflektionsrichtung an, wodurch eine einfache trilineare Interpolati on für Messrichtungen nahe der Hauptreflektionsrichtung möglich ist.
Wie man in 6b sieht, ist der maximale Winkel
für Messrichtungen oberhalb der Materialprobe vom Einfallswinkel θ_in und dem Azimutwinkel φ' abhängig, und eine einfache Interpolation ist daher für flache Messrichtungen nicht mehr möglich. Daher werden in einem zweiten Schritt T2 die Kugelkoordinaten (φ', θ') verzerrt, indem für jedes θ' das Intervall [0, θ'_max(θ_in, φ')] auf (0, π/2)] abgebildet wird. Die endgültige Parametrisierung ist in 6c dargestellt und ermöglicht eine direkte trilineare Interpolation. Die oben beschriebenen Transformationen sind auch für eine Umparametrisierung von das Transmissionsverhalten einer Probe beschreibenden Daten, insbesondere BTDF-Daten, möglich und zweckmäßig.
Im Folgenden wird eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Reflektometers beschrieben. In dieser Variante werden für gleiche oder entsprechende Elemente die entsprechenden Bezugszeichen des ersten Ausführungsbeispiels ergänzt, und der Buchstabe „a” verwendet. Zur Erläuterung der Elemente wird auf obige Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen.
In 7 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Reflektometers basierend auf einer Linsenoptik 19 gezeigt. Mit Hilfe von mehreren Linsen wird dabei der Raum der Messrichtungen auf mehrere Detektorsysteme abgebildet. Die Probe befindet sich im gemeinsamen Brennpunkt der Linsen, und ein separates Detektionssystem befindet sich im zweiten Brennpunkt der jeweiligen Linse. Somit bildet jede Konvexlinse einen Teil aller Messrich tungen auf ein separates Detektionssystem ab. Im Gegensatz zu Spiegeloptiken liegen die Detektionssysteme hinter der Abbildungsoptik. Daher können prinzipiell alle Messrichtungen gleichzeitig gemessen werden.
Dagegen verursacht der im ersten Ausführungsbeispiel verwendete Ellipsoidspiegel im Unterschied zu Linsensystemen keine Messartefakte wie z. B. Schattenbilder.
Neben der Verwendung eines Ellipsoidspiegels sind prinzipiell auch Systeme mit einem Parabolspiegel denkbar. Allerdings wird das von der Probenoberfläche gestreute Licht nicht vom Parabolspiegel in einem zweiten Brennpunkt abgebildet, sondern parallel zur Spiegelachse reflektiert. Von Vorteil ist hierbei, dass bei der Kalibrierung des Systems lediglich ein Brennpunkt gefunden werden muss, in dem die Probe liegt. Da im Allgemeinen die Sensorfläche selbst zu klein ist, um das gesamte Bündel aus parallelen Reflektionsstrahlen zu messen, kann mit Hilfe einer weiteren Optik dieses Bündel auf einen Sensor abgebildet werden. Diese Optik ist größenmäßig mit dem Parabolspiegel vergleichbar, wodurch das gesamte System im Vergleich zu einem auf einem Ellipsoidspiegel basierenden System aufwändiger ist.
8 zeigt ein Flussdiagramm eines vorteilhaften des Verfahrens zur Charakterisierung von Materialien und Materialoberflächen mittels der BRDF-Funktion unter Einsatz eines erfindungsgemäßen Reflektometers, etwa dem Reflektometer gemäß 2.
In einem Schritt S1 wird die Probe 6 zunächst im Raumbereich des dem Probenhalter zugeordneten optischen Fokus positioniert.
Im Schritt S2 wird ein Start-Einfall-Azimutwinkel und im Schritt S3 ein Start-Einfall-Elevationswinkel eingestellt.
In Schritt S4 wird optische Strahlung der optischen Strahlungsquelle 9 auf die Probenoberfläche 6 gerichtet.
Anschließend erfolgt im Schritt S5 die Auswertung der vom Detektor detektierten Signale. Dazu werden Raum-Richtungsanteile der aus dem Raumbereich des Fokus ausgehenden optischen Strahlung bestimmt.
Der Dynamik-Umfang einsetzbarer Sensoren ist in der Regel beschränkt und beträgt beispielsweise etwa 10 Bit. Es liegt dann zwischen dem niedrigsten gerade noch messbaren und dem höchsten messbaren Intensitätswert maximal ein Faktor von 1000. Dieser Wert ist für die meisten nicht diffusen Materialien zu klein, und es treten dieselben Effekte auf, wie sie aus der klassischen Fotografie bekannt sind: Zum einen sind dunkle Bereiche unterbelichtet. In diesen Bereichen können die für verschiedene Messrichtungen unterschiedlichen Werte der BRDF nicht differenziert werden. Zum anderen sind helle Bereiche, insbesondere die Hauptreflektionsrichtungen, überbelichtet. Hier werden die eigentlichen Werte der BRDF unterschätzt, so dass beispielsweise Reflexionen irrtümlich als wesentlich schwächer gemessen werden. Dieses Problem wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel dadurch gelöst, dass mehrere sukzessive Messungen mit unterschiedlichen Belichtungszeiten durchgeführt werden. Dunkle Bereiche werden mit Hilfe der längeren Belichtungszeiten feiner differenziert gemessen, und kürzere Belichtungszeiten vermeiden Überbelichtungen, so dass auch extrem helle Bereiche korrekt gemessen werden. Die bei verschiedene Belichtungszeiten gemessenen BRDF-Daten werden entsprechend den Belichtungszeiten zu BRDF-Daten mit erhöhtem dynamischen Bereich kombiniert und in Schritt S5 als BRDF-Element gespeichert.
In Schritt S6 wird anschließend der Elevations-Einfallswinkel erhöht und in Schritt S7 überprüft, ob der voreingestellte End-Elevations-Einfallswinkel erreicht ist. Ist dies nicht der Fall, so wird mit Schritt S5 fortgefahren. Andernfalls wird der Azimut-Einfallswinkel in Schritt S8 erhöht.
In Schritt S9 wird geprüft, ob der End-Azimut-Einfallswinkel erreicht ist. Ist dies nicht der Fall, wird mit Schritt S5 fortgefahren. Andernfalls wird in Schritt S10 die vollständige BRDF-Funktion durch Zusammensetzung der in Schritt S5 gespeicherten BRDF-Elemente bestimmt.
Optional kann in Schritt S11 die BRDF-Funktion normiert werden. Dies kann erforderlich sein, da die bislang rekonstruierten BRDF-Daten relativ unter anderem bezüglich der Lichtquelle, der Reflektivität des Ellipsoidspiegels und der Empfindlichkeit des Detektors sind. Zur Normierung der gemessenen Werte sind diese entsprechend linear zu skalieren. Vermessungen im RGB-Farbraum ergeben sich für jeden Farbkanal unterschiedliche Skalierungsfaktoren. Der Skalierungsfaktor lässt sich durch die unter gleichen Bedingungen stattfindende Messung der Lichtstreu-Eigenschaften eines Materials, dessen BRDF oder zumindest Gesamtreflektivität bekannt ist, bestimmen. Als Vergleichsmaterial eignen sich insbesondere Spiegel.
In Schritt S12 werden mittels zweier Koordinatentransformationen wie in 7 gezeigt transformierte BRDF-Daten berechnet.
In Schritt S13 erfolgt die Extrapolation/Interpolation nicht auswertbarer Detektionssignale unter Verwendung der zweifach transformierten BRDF-Daten.
Viele Materialien, wie beispielsweise Autolacke, reflektieren einen Teil des Lichtes wie ein Spiegel. Für viele Anwendungen ist es daher sinnvoll, eine solche Spiegelung von der eigentlichen BRDF abzutrennen und in der späteren Simulation (Rendern) getrennt zu behandeln (Schritt S14). Viele Materialien sind zudem mittels einer dünnen Klarlackschicht veredelt. Auch an der Klarlackoberfläche wird ein Teil des auftreffenden Lichtes wie an einem Spiegel reflektiert und der Rest zum Grundmaterial transmittiert. Das Verhältnis zwischen Reflektionsgrad und Transmissionsgrad ist abhängig vom Einfallswinkel des Lichts. Der Reflektionsgrad R kann mittels der Fresnel'schen Formeln berechnet werden:
wobei η der Brechungsindex des Klarlacks und θ'in = arcsin(ηsinθin)der Winkel des gebrochenen Lichtstrahls (Snellius'sches Brechungsgesetz) ist und der Übergang von Luft mit Brechungsindex η_Luft ungefähr 1 nach Klarlack betrachtet wird.
Die Spiegelung an einer Klarlackschicht hebt sich in der rekonstruierten BRDF deutlich ab, da sie aufgrund der Konzentration in einem kleinen Augenwinkel wesentlich heller ist als die Lichtstreuung am Grundmaterial, und kann vom Rest besonders einfach durch Festlegung eines Schwellwerts separiert werden. Dies kann interaktiv unter Einflussnahme durch eine Bedienperson oder automatisch auf Grundlage eines vordefinierten Schwellwerts erfolgen. Der Reflektionsgrad ergibt sich durch die Berechnung des von der Spiegelung reflektierten Lichts. Zwar ist der Brechungsindes η des Klarlacks bereits durch die Zuordnung von einem Einfallswinkel zu einem Reflektionsgrad festgelegt, zur Erhöhung der Genauigkeit sollten jedoch mehrere, insbesondere flache Einfallswinkel in die Berechnung eingebunden werden. In den ursprünglichen Messdaten können Winkelungenauigkeiten zu Abweichungen von einer perfekten Spiegelung führen, wodurch die die Spiegelung repräsentierenden Daten winkelmäßig „aufgeweitet” sind. Auch mag man für eine Lichtsimulation etwa für Werbezwecke eine die Realität übersteigende Perfektion einer Spiegelung wünschen. Eine Abtrennung der Spiegelung an den BRDF-Punkten und Bestimmung des Brechungsindex des Klarlacks ermöglicht der Anwendung die Simulation der perfekten Spiegelung. Die abge trennten BRDF-Daten können hierzu durch eine perfekte Spiegelung repräsentierende BRDF-Daten ersetzt werden, wobei ggf. von den abgetrennten Spiegelungs-BRDF-Daten überdeckte Streuungs-BRDF-Daten durch Interpolation bzw. Extrapolation ergänzt werden.
In Schritt S15 werden schließlich die vollständigen BRDF-Daten zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt.
Somit ist es in Schritt S16 möglich, beispielsweise ein Bild aus einer 3D-Szene auf Grundlage der vollständigen BRDF-Daten zu rendern.
Für ein Reflektometer (1; 1a) zur Charakterisierung von Materialien oder Materialoberflächen hinsichtlich vorzugsweise wenigstens eines von optischen Streueigenschaften und optischen Reflektionseigenschaften umfassender optischer Eigenschaften wird unter anderem vorgeschlagen, dass eine Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe im Raumbereich eines optischen Fokus einer aus diesem Bereich ausgehende optische Strahlung erfassenden und definiert einem zweidimensional auflösenden Detektor (3; 3a) zuführenden optischen Anordnung (5; 5a) mittels eines Probenhalters (7; 7a) um wenigstens eine vorgegebene Drehachse drehbar ist, um bezogen auf einen feststehenden optischen Zuführungsweg, über den Strahlung einer optischen Strahlungsquelle (9; 9a) auf die im Raumbereich positionierte Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe definiert richtbar ist, unterschiedliche Einfallwinkel der auf die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe gerichteten optischen Strahlung vorzusehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5640246 [0002]
- DE 102005056106 A1 [0003]
- US 7177026 B2 [0004]
- US 5659397 [0005]
- US 6982794 B1 [0006]
- US 6697568 B2 [0007]
- US 6483590 B1 [0008, 0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- www.caip.rutgers.edu [0007]

Claims

Reflektometer (1; 1a) zur Charakterisierung von Materialien oder Materialoberflächen hinsichtlich wenigstens eines von optischen Streueigenschaften und optischen Reflexionseigenschaften umfassender optischer Eigenschaften, umfassend: – wenigstens einen eine zweidimensionale Auflösung erfasster optischer Strahlung vorsehenden Detektor (3; 3a); – wenigstens eine diffraktive oder/und refraktive oder/und reflektive optische Anordnung, die wenigstens einen optischen Fokus (F1) aufweist und mittels der aus dem Raumbereich des oder eines optischen Fokus (F1) ausgehende, von der optischen Anordnung erfasste optische Strahlung definiert dem Detektor (3; 3a) zuführbar ist, derart, dass in unterschiedliche Raumrichtungen aus dem Raumbereich des Fokus ausgehende Strahlung mittels der zweidimensionalen Auflösung des Detektors (3, 3a) unterscheidbar ist; – wenigstens einen Probenhalter (7; 7a), mittels dem eine Materialprobe oder Materialoberflächenprobe in dem Raumbereich des/eines dem Probenhalter (7; 7a) zugeordneten optischen Fokus (F1) positionierbar ist; – wenigstens eine optische Strahlungsquelle (9; 9a), mittels der optische Strahlung auf die im Raumbereich dieses optischen Fokus positionierte Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe längs einem optischen Zuführungsweg mit einem definierten Einfallwinkel richtbar ist, um zumindest durch optische Reflexion oder/und optische Streuung an oder in der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe resultierende optische Strahlung mittels der optischen Anordnung zu erfassen und dem Detektor (3; 3a) zuzuführen; dadurch gekennzeichnet, dass die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe im Raumbereich des optischen Fokus mittels des Probenhalters (7; 7a) um wenigstens eine vorgegebene Drehachse drehbar ist, um bezogen auf den feststehenden optischen Zuführungsweg unterschiedliche Einfallwinkel der auf die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe gerichteten optischen Strahlung vorzusehen und über einen Drehwinkelbereich von mindestens 45 Grad, vorzugsweise von mindestens 90 Grad, höchstvorzugsweise von wenigstens 150 Grad die für einen jeweiligen Drehwinkel resultierende optische Strahlung mittels der optischen Anordnung zu erfassen und dem Detektor (3; 3a) zuzuführen.
Reflektometer (1; 1a) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe im Raumbereich des optischen Fokus mittels des Probenhalters (7; 7a) um zwei vorzugsweise zueinander orthogonale vorgegebene Drehachsen drehbar ist, um einerseits einen dem Einfallwinkel auf eine Oberfläche der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe entsprechenden Einfall-Elevationswinkel (θ_in) und andererseits einen Einfall-Azimutwinkel zwischen einer zur Oberfläche orthogonalen Einfallebene und einer in der Oberfläche liegenden Bezugsachse der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe voneinander unabhängig einzustellen.
Reflektometer (1; 1a) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe im Raumbereich des optischen Fokus mittels des Probenhalters (7; 7a) in zumindest einer, vorzugsweise in zumindest zwei, höchstvorzugsweise in drei Raumrichtungen relativ zum Fokus verstellbar ist, wobei die Raumrichtungen vorzugsweise zueinander orthogonal sind.
Reflektometer (1; 1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung eine Linsenanordnung (19) oder/und eine Spiegelanordnung umfasst.
Reflektometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung wenigstens einen Parabolspiegel umfasst.
Reflektometer (1; 1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung wenigstens einen, vorzugsweise genau einen Ellipsoidreflektor (5) umfasst, der einen ersten Fokus (F1) und einen zweiten Fokus (F2) ineinander abbildet, wobei im Raumbereich des ersten Fokus (F1) die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe mittels des Probenhalters (7; 7a) positionierbar ist und wobei in einem Raumbereich des zweiten Fokus (F2) oder zu diesem benachbart der bzw. ein zugeordneter Detektor (3; 3a) angeordnet ist.
Reflektometer (1; 1a) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch den ersten Fokus (F1) und den zweiten Fokus (F2) verlaufende Hauptachse des Ellipsoidreflektors (5) parallel zu oder in einer Oberfläche der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe, auf welche Oberfläche die von der optischen Strahlungsquelle (9; 9a) über den optischen Zuführungsweg zugeführte optische Strahlung trifft, verläuft.
Reflektometer (1; 1a) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse oder eine der vorgegebenen Drehachsen, die vorzugsweise der Einstellung eines/des Einfall-Elevationswinkels (θ_in) zugeordnet ist, koaxial oder parallel zu einer/der durch den ersten Fokus (F1) und den zweiten Fokus (F2) verlaufenden Hauptachse des Ellipsoidreflektors (5) verläuft.
Reflektometer (1; 1a) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Zuführungsweg zumindest in einem auf der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe endenden Endabschnitt ortho gonal zu der Hauptachse verläuft.
Reflektometer (1; 1a) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführungsweg durch eine Öffnung oder Aussparung (8) des Ellipsoidreflektors (5) verläuft, vorzugsweise geradlinig von der Öffnung (8) bzw. Aussparung bis hin zur Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe.
Reflektometer (1; 1a) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, jedenfalls rückbezogen auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden vorgegebenen Drehachsen zueinander und zur Hauptachse orthogonal verlaufen.
Reflektometer (1; 1a) nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe im Raumbereich des optischen Fokus mittels des Probenhalters (7; 7a) in Richtung der Hauptachse und vorzugsweise orthogonal zur Hauptachse relativ zum Fokus verstellbar ist.
Reflektometer (1; 1a) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe im Raumbereich des optischen Fokus mittels des Probenhalters (7; 7a) in zwei zueinander orthogonalen Richtungen orthogonal zur Hauptachse verstellbar ist, wobei eine erste dieser beiden Richtungen vorzugsweise orthogonal zu einer/der Oberfläche der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe und eine zweite dieser beiden Richtungen vorzugsweise parallel oder in der Oberfläche der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe verläuft.
Reflektometer (1; 1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenhalter (7; 7a) einen vorzugsweise armartigen Basisabschnitt (11) und einen die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe aufnehmenden Halteabschnitt (13, 15; 23, 25) aufweist, der vorzugsweise als gegenüber dem Basisabschnitt verstellbarer Verstellabschnitt ausgeführt ist.
Reflektometer (1; 1a) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellabschnitt einen gegenüber dem Basisabschnitt linear verstellbaren ersten Verstellabschnitt und einen gegenüber dem ersten Verstellabschnitt verdrehbaren zweiten Verstellabschnitt aufweist, wobei der erste Verstellabschnitt den zweiten Verstellabschnitt mit dem Basisabschnitt verbindet, oder dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellabschnitt einen gegenüber dem Basisabschnitt drehbaren zweiten Verstellabschnitt (13) und einen gegenüber dem zweiten Verstellabschnitt (13) linear verstellbaren ersten Verstellabschnitt (15) aufweist, wobei der zweite Verstellabschnitt (13) den ersten Verstellabschnitt (15) mit dem Basisabschnitt verbindet.
Reflektometer (1; 1a) nach Anspruch 14 oder 15, rückbezogen auf einen der Ansprüche 7 bis 12, gekennzeichnet durch wenigstens eines der folgenden Merkmale: – der Basisabschnitt (11) erstreckt sich entlang der oder parallel zur Hauptachse; – der Basisabschnitt (11) ist in Richtung der Hauptachse linear verstellbar; – der Basisabschnitt (11) ist in wenigstens eine Richtung orthogonal zur Hauptachse linear verstellbar; – der Basisabschnitt (11) ist um eine zur Hauptachse parallel oder koaxial verlaufende Drehachse verdrehbar; – der Halteabschnitt (23, 25) bzw. der Verstellabschnitt weist wenigstens einen Greifer zum Halten der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe auf; – der erste Verstellabschnitt ist in einer zur Hauptachse orthogonalen Richtung relativ zum Basisabschnitt bzw. relativ zum zweiten Verstellabschnitt linear verstellbar; – der zweite Verstellabschnitt ist um eine zur Hauptachse ortho gonale Drehachse relativ zum Basisabschnitt bzw. relativ zum ersten Verstellabschnitt verdrehbar; – wenigstens eine der vorstehenden Verstellungen bzw. Verdrehungen erfolgt mittels eines zugeordneten elektrischen Stellmotors.
Reflektometer (1; 1a) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisabschnitt (11) einen Haltearm aufweist, welcher sich durch eine Öffnung oder Aussparung (8) des Ellipsoidreflektors (5) entlang der Hauptachse in Richtung zum Raumbereich des ersten Fokus (F1) erstreckt.
Reflektometer (1; 1a) nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisabschnitt (11) an einem vorzugsweise rückseitig des Ellipsoidreflektors (5) angeordneten, drehantreibbaren Drehteil in einer zur Hauptachse orthogonalen Richtung linear verstellbar gehalten ist, wobei eine Verstellung des Basisabschnitts (11) entlang dieser zur Hauptachse orthogonalen Richtung eine Bewegung des Basisabschnitts (11) orthogonal zu einer/der Oberfläche der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe umfasst.
Reflektometer (1; 1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass dem Detektor (3) oder einem Detektorfeld des Detektors (3; 3a) wenigstens ein die Auflösung unterschiedlicher Raumrichtungen der aus dem Raumbereich des Fokus bzw. ersten Fokus ausgehenden optischen Strahlung erhöhendes optisches Element (17) vorgeschaltet ist.
Reflektometer (1; 1a) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (17) einen Durchmesser jeweiliger, durch den Detektor (3; 3a) erfasster optischer Strahlen begrenzt, die auf aus dem Raumbereich des Fokus bzw. ersten Fokus mit unterschiedlichen Raumrichtungen ausgehenden optischen Strahlen basieren.
Reflektometer (1; 1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenhalter (7; 7a) dafür ausgeführt ist, durch die Probe transmittierte Strahlung zur Erfassung durch die optische Anordnung und Zuführung zum Detektor durchzulassen.
Reflektometer (1; 1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung sich in einer auf die optische Achse bezogenen Umfangsrichtung über wenigstens 180°, vorzugsweise wenigstens etwa 270°, höchstvorzugsweise über etwa 360°, um den dem Probenhalter zugeordneten optischen Fokus (F1) erstreckt.
Reflektometer (1; 1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, gekennzeichnet durch eine elektronische Auswerteeinrichtung (2), die Detektionssignale des Detektors (3; 3a) empfängt und aus den Detektionssignalen eine jeweilige Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe hinsichtlich wenigstens eines von optischen Streueigenschaften und optischen Reflexionseigenschaften umfassender optischer Eigenschaften charakterisierende Charakterisierungsdaten bestimmt.
Reflektometer (1; 1a) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Auswerteeinrichtung (2) dafür ausgeführt ist, wenigstens einen Stellmotor anzusteuern, um die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe im Raumbereich des optischen Fokus mittels des Probenhalters (7; 7a) um wenigstens eine vorgegebene Drehachse zu drehen und für jeweilige Drehpositionen Charakterisierungsdaten zu bestimmen.
Reflektometer (1; 1a) nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakterisierungsdaten BRDF-Daten sind, die eine die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe hinsichtlich optischer Reflektionseigenschaften oder/und optischer Streueigenschaf ten charakterisierende bidirektionale Reflexionsverteilungsfunktion (Bidirectional Reflectance Distribution Function) repräsentieren.
Verfahren zur Charakterisierung von Materialien oder Materialoberflächen hinsichtlich wenigstens eines von optischen Streueigenschaften und optischen Reflexionseigenschaften umfassender optischer Eigeschaften unter Verwendung eines Reflektometers (1; 1a), umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Reflektometers (1; 1a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; b) erforderlichenfalls Kalibieren des Reflektometers (1; 1a); c) Mittels des oder eines Probenhalters (7; 7a) des Reflektometers (1; 1a): Positionieren wenigstens einer Materialprobe oder Materialoberflächenprobe in dem Raumbereich des dem Probenhalter (7; 7a) zugeordneten optischen Fokus (F1); d) Richten optischer Strahlung der optischen Strahlungsquelle (9; 9a) über den optischen Zuführungsweg auf die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe; e) Erfassen aus dem Raumbereich dieses optischen Fokus ausgehender Strahlung mittels der diffraktiven oder/und refraktiven oder/und reflektiven optischen Anordnung und Zuführen dieser optischen Strahlung in Richtung zu dem Detektor (3; 3a); f) gewünschtenfalls Filtern, vorzugsweise räumliches Filtern, der in Richtung zu dem Detektor (3; 3a) propagierenden optischen Strahlung; g) Mittels des Detektors (3; 3a): Erfassen, mit zweidimensionaler Auflösung, von auf einen Erfassungsbereich des Detektors (3; 3a) fallender optischer Strahlung, die auf der in Richtung zu dem Detektor (3; 3a) propagierenden, von der optischen Anordnung zugeführten optischen Strahlung beruht oder dieser entspricht.
Verfahren nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch den Schritt: h) Mittels der oder einer Detektionssignale des Detektors (3; 3a) empfangenden elektronischen Auswerteeinrichtung (2) und auf Grundlage der zweidimensionalen Auflösung des Detektors (3; 3a) und diese Auflösung repräsentierender Signalanteile der Detektionssignale: Bestimmen von Anteilen der aus dem Raumbereich des Fokus ausgehenden optischen Strahlung, die in unterschiedliche Raumrichtungen aus dem Raumbereich ausgehen.
Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe im Raumbereich des optischen Fokus mittels des Probenhalters (7; 7a) um wenigstens eine vorgegebene Drehachse gedreht wird, vorzugsweise durch wenigstens einen von der Auswerteeinrichtung (2) angesteuerten Stellmotor, um bezogen auf den feststehenden optischen Zuführungsweg unterschiedliche Einfallwinkel der auf die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe gerichteten optischen Strahlung vorzusehen und über einen Drehwinkelbereich von mindestens 45 Grad, vorzugsweise von mindestens 90 Grad, höchstvorzugsweise von wenigstens 150 Grad die für einen jeweiligen Drehwinkel resultierende optische Strahlung mittels der optischen Anordnung zu erfassen und dem Detektor (3; 3a) zuzuführen.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe im Raumbereich des optischen Fokus mittels des Probenhalters um zwei vorzugsweise zueinander orthogonale vorgegebene Drehachsen gedreht wird, vorzugsweise durch wenigstens zwei von der Auswerteeinrichtung angesteuerte Stellmotoren, um einerseits einen dem Einfallwinkel auf eine Oberfläche der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe entsprechenden Einfall-Elevationswinkel (θ_in) und andererseits einen Einfall-Azimutwinkel zwischen einer zur Oberfläche orthogonalen Einfallebene und einer in der Oberfläche liegenden Bezugsachse der Material probe bzw. Materialoberflächenprobe voneinander unabhängig einzustellen und für jeweilige Einfall-Elevationswinkel (θ_in) und Einfall-Azimutwinkel resultierende optische Strahlung mittels der optischen Anordnung zu erfassen und dem Detektor (3; 3a) zuzuführen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine effektive Empfindlichkeit einer den Detektor (3; 3a) umfassenden Erfassungsanordnung variabel ist und Schritt g) in Bezug auf eine gegebene Erfassungssituation, insbesondere in Bezug auf jeweilige Einfall-Elevationswinkel (θ_in) und Einfall-Azimutwinkel, für verschiedene effektive Empfindlichkeiten wiederholt wird und resultierende Daten kombiniert werden, zur Vergrößerung einer Detektionsdynamik.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Auswerteeinrichtung (2) aus vom Reflektor empfangenen Detektionssignalen eine jeweilige Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe hinsichtlich wenigstens eines von optischen Streueigenschaften und optischen Reflexionseigenschaften umfassender optischer Eigenschaften charakterisierende Charakterisierungsdaten bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakterisierungsdaten BRDF-Daten sind, die eine die Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe hinsichtlich optischer Reflektionseigenschaften oder/und optischer Streueigenschaften charakterisierende bidirektionale Reflexionsverteilungsfunktion (Bidirectional Reflectance Distribution Function) repräsentieren.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, das die BRDF-Daten eine Intensitätsverteilung unter verschiedenen Ausfall-Elevationswinkeln (θ) und Ausfall-Azimutwinkeln (φ) von der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe reflektierter oder/und gestreuter Anteile optischer Strahlung für i) einen Einfall-Elevationswinkel (θ_in) oder mehrere Einfall-Elevationswinkel (θ_in) eines Einfall-Elevationswinkelbereichs und ii) einen Einfall-Azimutwinkel oder mehrere Einfall-Azimutwinkel eines Einfall-Azimutwinkelbereichs repräsentieren, wobei der Ausfall-Elevationswinkel (θ) einem Ausfallwinkel der Strahlung von einer Oberfläche der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe entspricht und der Ausfall-Azimutwinkel (φ) einem Winkel zwischen einer zur Oberfläche orthogonalen Ausfallebene und einer in der Oberfläche liegenden Bezugsachse der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe entspricht.
Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass aus aus den Detektionssignalen bestimmten BRDF-Daten weitere BRDF-Daten extrapoliert oder interpoliert werden, die die hierdurch repräsentierte Intensitätsverteilung um Ausfall-Elevationswinkel (θ_in) oder/und Ausfall-Azimutwinkel (φ) ergänzen, für die keine auswertbaren Detektionssignale vorliegen, oder/und die die hierdurch repräsentierte Intensitätsverteilung um Einfall-Elevationswinkel (θ_in) oder/und Einfall-Azimutwinkel ergänzen, für die keine auswertbaren Detektionssignale vorliegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die BRDF-Daten von relativen BRDF-Daten zu absoluten BRDF-Daten, gewünschtenfalls auf Grundlage von BRDF-Daten für eine Referenz-Materialprobe bzw. Referenz-Materialoberflächenprobe, normiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass für ein jeweiliges Paar von Einfall-Elevationswinkel (θ_in) und Einfall-Azimutwinkel aus den BRDF-Daten eine Hauptreflektionsrichtung hinsichtlich Ausfall-Elevationswinkel (θ) und Ausfall-Azimutwinkel (φ) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Hauptreflektionsrichtung und zugehöriger BRDF-Daten ein zugeordneter Reflektionsgrad (R) oder/und ein zugeordneter Transmissionsgrad (T) oder/und ein zugeordnetes Reflektionsgrad-Transmissionsgrad-Verhältnis (V) oder/und ein die Reflektion in die Hauptreflektionsrichtung bestimmender Brechungsindex oder Brechungsindexsprung bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass für ein jeweiliges Paar aus einem Einfall-Elevationswinkel (θ_in) und einem Einfall-Azimutwinkel auf Grundlage von vorgegebenen optischen Daten der Materialprobe oder Materialoberflächenprobe eine Hauptreflektionsrichtung hinsichtlich Ausfall-Elevationswinkel (θ) und Ausfall-Azimutwinkel (φ) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass der/einer Hauptreflektionsrichtung entsprechende BRDF-Daten aus einem BRDF-Datensatz für ein jeweiliges Paar aus einem Einfall-Elevationswinkel (θ_in) und einem Einfall-Azimutwinkel eliminiert werden.
Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass der BRDF-Datensatz, aus dem die der Hauptreflektionsrichtung entsprechenden BRDF-Daten eliminiert sind, um eine Reflektion in der Hauptreflektionsrichtung definierende Reflektionsdaten ergänzt wird.
Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektionsdaten eine perfekte Spiegelung an einer Oberfläche mit einem vorgegebenen oder aus den BRDF-Daten bestimmten Brechungsindexsprung gemäß den Fresnel'schen Formeln definieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass bei den BRDF-Daten sich die Einfall- (θ_in) und Ausfall- Elevationswinkel (θ) und Einfall- und Ausfall-Azimutwinkel (φ) auf ein orthogonales Koordinatensystem beziehen, welches eine in der/einer Oberfläche der Materialprobe bzw. Materialoberflächenprobe liegende Achse und eine zu der Oberfläche orthogonale Achse aufweist.
Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass aus den BRDF-Daten koordinatentransformierte BRDF-Daten berechnet werden, bei denen sich die Einfall- (θ_in) und Ausfall-Elevationswinkel (θ) und Einfall- und Ausfall-Azimutwinkel (φ) auf ein anderes orthogonales Koordinatensystem beziehen, welches eine sich in der Hauptreflektionsrichtung erstreckende Achse aufweist.
Verfahren nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, dass für die koordinatentransformierten BRDF-Daten eine weitere Koordinatentransformation durchgeführt wird, derart, dass Einfallwinkel-abhängige Winkelintervalle für Ausfallwinkel auf Einfallwinkel-unabhängigen Winkelintervalle für Ausfallwinkel abgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 43 oder 44, ferner rückbezogen auf Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Extrapolation bzw. Interpolation auf Grundlage der koordinatentransformierten BRDF-Daten bzw. der der weiteren Koordinatentransformation unterzogenen, koordinatentransformierten BRDF-Daten durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 44, ferner rückbezogen auf Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Extrapolation bzw. Interpolation in Form einer trilinearen Extrapolation bzw. trilinearen Interpolation auf Grundlage der der weiteren Koordinatentransformation unterzogenen, koordinatentransformierten BRDF-Daten durchgeführt wird.
Verfahren zum Rendern einer simulierten dreidimensionalen Szene auf einem Bild-Ausgabegerät oder Bild-Ausgabemedium oder zum Erzeugen von der dreidimensionale Szene entsprechenden Bilddaten, auf deren Grundlage die dreidimensionale Szene auf einem Bild-Ausgabegerät oder Bild-Ausgabemedium ausgebbar ist, umfassend das Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 46 zur Charakterisierung von Materialien oder Materialoberflächen hinsichtlich wenigstens eines von optischen Streueigenschaften und optischen Reflektionseigenschaften umfassender, für das Rendern relevanter optischer Eigenschaften, um eine Szene mit einer einer realistischen Darstellung zumindest angenäherten Darstellung wenigstens eines Szene-Objekts zu rendern, welches wenigstens ein charakterisiertes Material oder wenigstens eine charakterisierte Materialoberfläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 47, umfassend das Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass das Rendern auf Basis von BRDF-Daten bzw. koordinatentransformierten BRDF-Daten bzw. einer weiteren Koordinatentransformation unterzogener, koordinatentransformierter BRDF-Daten bzw. extrapolierter bzw. interpolierter BRDF-Daten und gewünschtenfalls zu den BRDF-Daten ergänzter Reflektionsdaten erfolgt.
System zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 26 bis 48, umfassend wenigstens ein Reflektometer nach einem der Ansprüche 1 bis 25 und wenigstens eine Verfahrensschritte des Verfahrens programmgesteuert durchführende Prozessoranordnung.