Measurement of Bidirectional Transmittance Distribution Function

Význam tématu

BTDF (Bidirectional Transmittance Distribution Function) je klíčovým nástrojem v optické metrologii pro charakterizaci toho, jak materiály propouštějí světlo do různých směrů. Přesné určení BTDF je základem pro návrh a kontrolu kvality v průmyslu optických povlaků, solárních panelů, leteckých aplikací, potravinářského sektoru, dálkového průzkumu Země a realistické počítačové grafiky.

Cíle a přehled studie

Cílem studie je demonstrovat možnosti měření BTDF ve viditelném a blízkém infračerveném spektru pomocí komerčního přístroje Agilent Cary 7000 UMS a porovnat jeho výkonnost a nejistoty s vlastním laboratorním uspořádáním. Studie ukazuje, že Cary 7000 UMS lze rychle nakonfigurovat a provozovat pro rutinní optickou metrologii.

Použitá metodika

Měření probíhalo v geometrii sférických souřadnic, kdy se zaznamenával poměr detekovaných signálů vzorku a baselinu v jednotlivých zenitových a azimutových úhlech od –85° do +85° s krokem 5°. Světelný zdroj zahrnoval deuterovou výbojku a wolframovou halogenovou lampu, jejichž záření bylo selektováno dvojitým monochromátorem s šířkou pásma 4 nm. Svazek byl modulován chopperem ve dvojpaprskové konfiguraci a polarizace, velikost a úhel kužele byly řízeny v UMA. Pro výpočet BTDF se použila standardní rovnice ρ = (S – S_d)/(BL – S_d)·(1/(cos θ·ω))·100 %, kde S je signál vzorku, S_d tmavý signál a BL baseline. Každé měření se opakovalo třikrát s integrací 2–9 s.

Použitá instrumentace

• Agilent Cary 7000 Universal Measurement Spectrophotometer (UMS)
• Agilent Universal Measurement Accessory (UMA)
• Deuterová arcová lampa
• Quartz tungsten-halogenová lampa
• Dvojitý monochromátor Littrow out-of-plane
• Dual-band Si/InGaAs fotodetektor
• Software Agilent Cary WinUV

Hlavní výsledky a diskuse

Automatizované měření ukázalo kombinovanou standardní nejistotu 1,23–1,51 % ve viditelné oblasti a 1,07 % v NIR (k faktoru krytí k = 2). Dva referenční vzorky – HOD-500 (syntetické sklo s mikropóry) a porézní PTFE – vykázaly téměř Lambertovské rozdělení propustnosti. HOD-500 dosáhl menší odchylky od Lambertu (–0,2 % při 10° až –3 % při 35°) oproti PTFE (–0,5 % až –4,1 %). Spektrální průběh ukázal, že PTFE rostl výrazně nad 650 nm, zatímco HOD-500 měl plošší charakteristiku.

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlá konfigurace a automatizace měření bez nutnosti rozsáhlých úprav
• Vysoká reprodukovatelnost a přijatelné hladiny nejistot pro rutinní kontrolu kvality
• Možnost integrace do pracovních postupů při vývoji optických povrchů, solárních materiálů, polymerů a kompozitů

Budoucí trendy a možnosti využití

• Snížení nejistot přesnějším řízením vzdálenosti vzorek-detektor (z 0,6 mm na 0,1 mm)
• Rozšíření měření do dalších spektrálních oblastí (kratší UV a delší NIR/IR)
• Automatizovaná analýza dat s využitím strojového učení a umělé inteligence
• Charakterizace nových nanostruktur a vícevrstvých povlaků

Závěr

Agilent Cary 7000 UMS je spolehlivý a uživatelsky přívětivý přístroj pro měření BTDF ve viditelné a blízké infračervené oblasti. Díky plně automatizované kontrole pozic detektoru, rotace vzorku a polarizace zařízení dosahuje konzistentních výsledků s nejistotami na úrovni přibližně 1 %, což jej činí ideálním nástrojem pro rutinní optickou metrologii.

Reference

1. Nicodemus FE, Richmond JC, Hsia JJ, Ginsberg IW, Limperis T. Geometrical Considerations and Nomenclature for Reflectance. Applied Optics. 1977;16(7):1891–1893.
2. Bartell FO, Dereniak EL, Wolfe WL. The Theory and Measurement of Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF) and Bidirectional Transmittance Distribution Function (BTDF). Applied Optics. 1981;20(20):364–367.
3. Wessels A, Callies A, Bläsi B, Kroyer T, Höhn O. Modeling the Optical Properties of Morpho-Inspired Thin-Film Interference Filters on Structured Surfaces. Optics Express. 2022;30(12):14586–14599.
4. Surface Optics Corporation. BSDF, BRDF and BTDF – A Review of Measurement Approaches. SurfaceOptics.com; 2025.
5. Synopsys. Scattering and Measurements Guide. Synopsys Inc.; 2025.
6. SphereOptics. Scatter and Appearance Light Measurements. Sphereoptics.de; 2025.
7. Aschan R, Manoocheri F, Lanevski D, Ikonen E. Measurement of Bidirectional Transmittance Distribution Function in the Visible and Near-Infrared Spectral Range. Metrologia. 2024;61(5):055004. DIO:10.1088/1681-7575/ad60ca.