We zien de wereld in reflectie:bijna al het licht dat onze ogen binnenkomt, heeft eerst iets weerkaatst, informatie meebrengen over de aard van de voorwerpen die hij onderweg tegenkwam. Maar die informatie wordt sterk beïnvloed door de hoek waaronder het licht op het object valt, en ook de hoek waaronder het gereflecteerde licht het oog van de toeschouwer bereikt.

Daarom zijn de eigenschappen van licht dat onder verschillende hoeken en intensiteiten wordt gereflecteerd enorm belangrijk, bijvoorbeeld, naar de manier waarop auto's worden geverfd, stoffen worden gemaakt, kunststoffen en coatings zijn gekleurd, drukwerk wordt geproduceerd, optische systemen zijn ontworpen, en remote-sensing-beelden worden gemaakt en geïnterpreteerd, om er maar een paar te noemen.

Bovendien, instrumenten die worden ingezet voor veel openbare diensten en nationale veiligheid, zoals satellietmonitoring van weer en natuurrampen, of het detecteren van activiteit door potentiële tegenstanders - bevatten componenten die nauwkeurig moeten worden gekalibreerd tegen een bekende standaard om een ​​nauwkeurige karakterisering van de effecten van lichtreflectie en verstrooiing te garanderen.

NIST handhaaft de nationale schaal voor reflectie, en staat nu op het punt een drastisch verbeterd systeem te lanceren voor het meten van de intensiteit en het spectrum van licht dat wordt gereflecteerd en verstrooid door monsters van wel 30 cm in praktisch elke richting. Het Robotic Optical Scattering Instrument (ROSI) genoemd, het zal nieuwe mogelijkheden bieden waar de industrie en de wetenschap steeds meer naar vragen, maar waren niet eerder beschikbaar bij NIST.

"We zijn jaren geleden begonnen met de ontwikkeling van dit systeem, " zegt projectleider Heather Patrick van NIST's Physical Measurement Laboratory, "het komen tot steeds geavanceerdere ontwerpen vóór de huidige versie van ROSI. Tegen het midden van 2017 verwachten we de eerste reeks functies beschikbaar te stellen aan klanten. Ongeveer een jaar later, alle functies van het systeem zullen volledig operationeel zijn."

Misschien wel het belangrijkste, ROSI zal zowel in-plane als out-of-plane metingen toelaten. (Zie onderstaande afbeelding.) In de eerste, de lichtbron, het voorbeeld, en de ontvanger bevinden zich allemaal in hetzelfde vlak; in het laatstgenoemde, de ontvanger zit in een ander vlak.

Out-of-plane metingen waren niet mogelijk met ROSI's voorganger, NIST's werkpaard Spectral Tri-function Automated Reference Reflectometer (STARR). "Maar ze zijn belangrijk voor iedereen die reflectiemetingen in het veld doet, zoals degenen die oceaankleur of infraroodbewaking van warmtesignaturen bestuderen, " zegt NIST-wetenschapper Catherine Cooksey. "Bovendien, ze zijn belangrijk voor 'gonioapparent' coatings - dat wil zeggen, coatings die verschillende kleuren reflecteren, afhankelijk van de kijkrichting of verlichting, als iriserende kleuren. Bijvoorbeeld, autolak die van kleur lijkt te veranderen als je door de auto beweegt."

In aanvulling, ROSI breidt het bereik van golflengten uit van het ultraviolet tot het nabij-infrarood, en kan 100 keer meer invallend licht bieden dan STARR, waardoor gedetailleerde metingen van monsters met lage reflectie mogelijk zijn en nieuwe mogelijkheden voor onderzoek worden geopend.

Het ROSI-systeem combineert drie geïntegreerde, volledig geautomatiseerde componenten (zie schema). Een daarvan is een op laser gebaseerde lichtbron die kan worden afgestemd op een specifieke gewenste kleur, intensiteit, en polarisatie voordat het wordt gefocust op het te bestuderen monster. De straal maakt een vlek met een diameter van 1 cm wanneer deze precies loodrecht op het oppervlak van het monster schijnt, maar verbreedt zich tot een steeds bredere en zwakkere ellips naarmate de hoek tussen de bron en het monster steeds schuiner wordt.

Het monster is gemonteerd op het uiteinde van ROSI's tweede hoofdcomponent, een 6-assige robotarm die het monster in bijna elke hoek ten opzichte van de straal kan bewegen. De derde component is de ontvanger die de hoeveelheid licht detecteert die door het monster wordt verstrooid onder een specifieke kijkhoek. De ontvanger kan om de as van de robotarm worden bewogen, een ontwerp dat metingen buiten het vlak mogelijk maakt.

Die capaciteit is van cruciaal belang voor het karakteriseren van de materialen die satellietsystemen zoals de langlopende Landsat-serie - die veranderingen in het wereldwijde landschap in kaart brengt - gebruiken om hun ingebouwde sensoren te kalibreren. Die apparaten ontvangen gereflecteerd en verstrooid licht dat vanuit een breed scala aan hoeken komt, en de kwaliteit van waarnemingen hangt af van het begrip van de manier waarop die hoeken het signaal beïnvloeden. De impact is groot:sinds de lancering van Landsat 8 in 2013 meer dan 30 miljoen afbeeldingen zijn gedownload van de programmasite.

NASA voorziet veel van zijn andere satellietprojecten van reflectiemetingen, en NASA's reflectieschaal is herleidbaar tot de nationale reflectieschaal door middel van jaarlijkse NIST-kalibraties.

ROSI is ontworpen om drie soorten metingen uit te voeren. Het minst complexe betreft spiegelmonsters, waarin bijna al het invallende licht onder één hoek wordt gereflecteerd. Dat is de eerste mogelijkheid die later dit jaar online komt. De tweede soort wordt de bidirectionele reflectieverdelingsfunctie (BRDF) genoemd, wat in feite betekent dat zowel de hoek waaronder het invallende licht op het monster valt als de hoek tussen het monster en de ontvanger afzonderlijk kunnen worden aangepast om te meten hoe de veranderingen de eigenschappen van het gereflecteerde/verstrooide licht wijzigen.

Eindelijk, ROSI zal in staat zijn om "halfbolvormige" metingen te produceren waarin licht dat door het monster wordt gereflecteerd, wordt geregistreerd op tal van punten die een volledig halfrond vormen en een uitgebreide dataset produceren.

"Deze nieuwe faciliteit biedt de klanten van NIST een uitgebreidere capaciteit, en NIST zelf met uitgebreid onderzoekspotentieel, " zegt Cooksey. "Vroeger, we konden alleen meten binnen een enkel vlak. Nu kunnen we de volledige hemisferische ruimte boven een monster punt voor punt meten met een aanzienlijk verhoogde intensiteit van invallend licht. Dit vergroot de soorten materialen die we nu kunnen meten, zoals coatings met interessante BRDF's of zeer donkere, zwarte monsters."