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Zur Beschreibung dieses Phänomens reicht die Kenntnis des Reflektions- und Transmissionsgrades, also des Anteils von Licht, welches insgesamt von einem Objekt zurückgeworfen oder durchgelassen wird, nicht aus. Nötig ist auch die Kenntnis der Richtungsabhängigkeit von Reflektion und Transmission. Dabei müssen sowohl die Richtung zur Lichtquelle, als auch zum Betrachter berücksichtigt werden.
[Abbildung: Lichtstreuung an einer strukturierten Glasscheibe]
Zur Beschreibung dieser doppelt winkelabhängigen Reflektions- und Transmissionseigenschaften dient die Bidirectional Scattering Distribution Function (BSDF). Sie setzt das von einem Objekt in eine Richtung reflektierte oder transmittierte Licht in Bezug zur Intensität der Einstrahlung aus der Richtung der Lichtquelle. In der Praxis werden die Richtung, in die das Licht gestreut wird und die Richtung zur Lichtquelle jeweils als ein Winkelpaar angegeben, so dass sich die Lichtstreuung in ihrer einfachsten Form als vierdimensionale Grösse BSDF(θi,Φi,θs,Φs) beschreiben lässt. Wird die BSDF für unterschiedliche sichtbare und unsichtbare Wellenlängenbereiche getrennt bestimmt, kommt die Wellenlänge als fünfter Parameter hinzu. Während z.B. im Bauwesen die Unterscheidung zwischen kurzwelligem, sichtbaren Licht und dem Infrarotbereich üblich ist, kann in der Computergrafik eine Trennung der Grundfarben Rot, Grün und Blau erforderlich sein.
[Abbildung: Richtungen zu Lichtquelle (θi,Φi) und Empfänger (θs,Φs), Messfläche A auf reflektierender Oberfläche]
Etabliert ist die BSDF als physikalisch messbare Grösse unter anderem in Anwendungen
- in der Optik, u.a. zur Charakterisierung von Oberflächen oder Modellentwicklung für die optische Simulation,
- in der Computergrafik, zur realitätsnahen Modellierung von Materialien und Oberflächeneigenschaften,
- in der Oberflächentechnik, zur Charakterisierung von Oberflächenqualitäten, zum Vergleich mit dem Ziel der Qualitätssicherung oder Produktauswahl,
- zunehmend auch im Bauwesen, zur Beschreibung und Modellierung hochentwickelter Fassaden in der Gebäudesimulation,
- in der Ermittlung abgeleiteter Kenngrössen wie der Rauigkeit von Oberflächen oder der Bestimmung direkt-hemisphärischer Reflektion und Transmission.
[Abbildung: Streuung des von oben links einfallenden Lichts eines Lasers an drei unterschiedlich strukturierten Aluminiumblechen]
Die Messung der BSDF an der Hochschule Luzern wird in einem dafür spezialisierten Labor der Forschungsgruppe Envelopes and Solar Energy (FG EASE) mit Hilfe eines Goniophotometers durchgeführt. Das verwendende Instrument misst die BSDF sequentiell für eine Vielzahl unterschiedlicher Einfalls- und Ausfallsrichtungen, wobei die Richtungsauflösung, die Grösse der gemessenen Oberfläche sowie der Wellenlängenbereich an die spezifischen Anforderungen des Kunden oder Kooperationspartners angepasst werden können. Im Unterschied zu bildbasierten Messverfahren wird ein Dynamikumfang erreicht, der auch die Messung von Streulicht an klaren Glasscheiben oder Spiegeln noch erlaubt. Empfindlichkeit und Richtungsauflösung sind bei dieser Messung unabhängig von Einfalls- und Ausfallsrichtung.
[Abbildung: Goniophotometer an der FG EASE]
Die Messeinrichtungen und Kompetenzen an der FG EASE stehen Industrie und Forschung sowohl als Dienstleistung als auch im Rahmen von Forschungs- und Entwicklungskooperationen zur Verfügung. Die Experten der FG EASE bereiten nach einem Vorgespräch ein massgeschneidertes Angebot vor. Dadurch wird sichergestellt, dass der konfigurierbare Messaufbau und die Aufbereitung der Ergebnisse optimal an die spezifische Aufgabe angepasst werden. Kooperationen in Forschung und Entwicklung können, wie Dienstleistungen auch, kurzfristiges Zusammenarbeiten umfassen. Sie generieren jedoch zusätzlich wissenschaftliche Ergebnisse und führen in der Regel zu Veröffentlichungen. Umfassendere Kooperationen, möglicherweise mit Unterstützung durch öffentliche Förderprogramme, erlauben den Beteiligten den Einsatz und die Weiterentwicklung von Technologie und Know-how sowohl an der Hochschule Luzern – Technik & Architektur, als auch beim Partner mit einer längerfristigen Perspektive von 2 bis 3 Jahren. Über den Einstieg in eine solche Kooperation und die möglichen Förderprogramme informieren die Mitarbeitenden der FG EASE im Rahmen eines persönlichen Gesprächs.
[Abbildung: Workshop mit Kooperationspartnern zur Messung und Anwendung der BSDF an der FG EASE (2014)]
Instrumentenklasse: Goniophotometer
Messverfahren: Fernfeldmessung, sequentieller Scan bei kontinuierlicher Bewegung des Messkopfs um die Probe
Hersteller, Modell: PAB advanced optics, pg-II
Absolute Messung ohne Notwendigkeit eines Standards
Messung von Bidirectional Reflection Distribution Function (BRDF) und Bidirectional Transmission Distribution Function (BTDF), zusammengefasst als Bidirectional Scattering Distribution Function (BSDF)
Typische Probengrösse >= 100mm x 50mm
Maximale Probengrösse 1000mm x 900mm, 25kg
Durchmesser der gemessenen Fläche auf der Probe bei senkrechtem Lichteinfall 7mm - 65mm
Abstand des Detektors vom Zentrum der gemessenen Fläche 1000mm
Konfigurierbare Richtungsauflösung der Messung bis < 1 Grad, Genauigkeit < 1 mrad
Optional lokal adaptiv an Messung, auch für nicht regelmässige Verteilungen
Messung mit hohem Dynamikumfang mit einem von drei Detektoren:
- Silizium-Detektor, Empfindlichkeit ca. 350nm - 1050nm
- Silizium-Detektor mit v(lambda)-Filter für photometrische Messungen, Empfindlichkeit wie menschliches Auge ca. 380nm - 780nm
- Indiumgalliumarsenid-Detektor für Messungen im nahen Infrarot, Empfindlichkeit ca. 900nm - 2500nm
Konfigurierbares Beleuchtungssystem
- Halogenlampe oder Hochdruck-Bogenlampe
- Einsatz von Filtern zur gezielten Beschränkung der Messung auf vorgegebene Wellenlängenbereiche
- Einstellung von Fokussierung und Strahldurchmesser
Ausgabe der Messdaten gem. Standard ASTM E2387
Erzeugung von fest oder variabel aufgelösten Modellen im Berkeley Labs XML-Format zur Weiterverwendung z.B. in Radiance, LBL Window u.a.
Erzeugung von BSDF-Modellen im fest aufgelösten, tabellarischen Format für Lighttools
Visualisierung von Messdaten als Plots z.B. in der Streuebene, Flächendarstellung der BSDF für eine Einfallrichtung