Nous voyons le monde en reflet :Presque toute la lumière qui entre dans nos yeux a d'abord rebondi sur quelque chose, apportant avec lui des informations sur la nature des objets rencontrés en chemin. Mais cette information est fortement affectée par l'angle auquel la lumière frappe l'objet, et aussi l'angle auquel la lumière réfléchie atteint l'œil du spectateur.

C'est pourquoi les propriétés de la lumière réfléchie sous différents angles et intensités sont extrêmement importantes, par exemple, à la façon dont les voitures sont peintes, les tissus sont fabriqués, les plastiques et les revêtements sont colorés, des documents imprimés sont produits, les systèmes optiques sont conçus, et des images de télédétection sont créées et interprétées, pour n'en citer que quelques-uns.

De plus, instruments déployés pour de nombreuses utilisations de service public et de sécurité nationale, telles que la surveillance par satellite des conditions météorologiques et des catastrophes naturelles, ou détecter l'activité d'adversaires potentiels - contiennent des composants qui doivent être calibrés avec précision par rapport à une norme connue pour assurer une caractérisation précise des effets de la réflectance et de la diffusion de la lumière.

Le NIST maintient l'échelle nationale de réflectance, et est maintenant sur le point de lancer un système considérablement amélioré pour mesurer l'intensité et le spectre de la lumière réfléchie et diffusée sur des échantillons aussi grands que 30 cm carrés dans pratiquement n'importe quelle direction. Appelé l'instrument de diffusion optique robotique (ROSI), il offrira de nouvelles capacités qui sont de plus en plus demandées par l'industrie et la science, mais n'étaient pas disponibles auparavant au NIST.

« Nous avons commencé à travailler pour développer ce système il y a des années, " déclare Heather Patrick, chef de projet du laboratoire de mesure physique du NIST, « arriver à des conceptions de plus en plus sophistiquées avant la version actuelle de ROSI. D'ici le milieu de 2017, nous prévoyons de mettre le premier ensemble de fonctions à la disposition des clients. Environ un an plus tard, toutes les fonctionnalités du système seront pleinement opérationnelles."

Peut-être le plus important, ROSI permettra à la fois des mesures dans le plan et hors du plan. (Voir schéma ci-dessous.) Dans le premier, la source lumineuse, l'échantillon, et le récepteur sont tous dans le même plan; dans ce dernier, le récepteur est dans un autre plan.

Les mesures hors plan n'étaient pas possibles avec le prédécesseur de ROSI, Le réflectomètre de référence automatisé à trois fonctions spectrales du NIST (STARR). "Mais ils sont importants pour quiconque effectue des mesures de réflectance sur le terrain, comme ceux qui étudient la couleur de l'océan ou la surveillance infrarouge des signatures thermiques, " déclare Catherine Cooksey, scientifique du NIST. " De plus, ils sont importants pour les revêtements « gonioapparents », c'est-à-dire des revêtements qui reflètent des couleurs différentes selon la direction de vision ou d'éclairage, comme les couleurs irisées. Par exemple, peinture automobile qui semble changer de couleur au fur et à mesure que vous vous déplacez dans la voiture."

En outre, ROSI étend la gamme de longueurs d'onde de l'ultraviolet au proche infrarouge, et peut fournir 100 fois plus de lumière incidente que STARR, permettant des mesures détaillées d'échantillons à faible réflectance et ouvrant de nouvelles possibilités de recherche.

Le système ROSI combine trois systèmes intégrés, composants entièrement automatisés (voir schéma). L'un est une source de lumière laser qui peut être réglée sur une couleur spécifique souhaitée, intensité, et la polarisation avant qu'elle ne soit focalisée sur l'échantillon à étudier. Le faisceau fait une tache de 1 cm de diamètre lorsqu'il brille exactement perpendiculairement à la surface de l'échantillon, mais s'élargit à une ellipse de plus en plus large et plus faible à mesure que l'angle entre la source et l'échantillon devient de plus en plus oblique.

L'échantillon est monté à l'extrémité du deuxième composant majeur de ROSI, un bras robotique à 6 axes qui peut déplacer l'échantillon dans presque n'importe quel angle par rapport au faisceau. Le troisième composant est le récepteur qui détecte la quantité de lumière diffusée par l'échantillon à un angle de vue spécifique. Le récepteur peut être déplacé autour de l'axe du bras du robot, une conception qui facilite les mesures hors plan.

Cette capacité est d'une importance cruciale pour caractériser les matériaux que les systèmes satellitaires tels que la longue série Landsat - qui cartographie les changements dans le paysage mondial - utilisent pour étalonner leurs capteurs embarqués. Ces appareils reçoivent la lumière réfléchie et diffusée provenant d'un large éventail d'angles, et la qualité des observations dépend de la compréhension de la manière dont ces angles affectent le signal. L'impact est important :depuis le lancement de Landsat 8 en 2013, plus de 30 millions d'images ont été téléchargées depuis le site du programme.

La NASA fournit à bon nombre de ses autres projets de satellites des mesures de réflectance, et l'échelle de réflectance de la NASA est traçable à l'échelle de réflectance nationale grâce aux étalonnages annuels du NIST.

ROSI est conçu pour effectuer trois types de mesures. Le moins complexe concerne les échantillons miroirs, dans lequel presque toute la lumière incidente est réfléchie sous un angle. C'est la première fonctionnalité qui sera mise en ligne plus tard cette année. Le deuxième type porte le nom de fonction de distribution de réflectance bidirectionnelle (BRDF), ce qui signifie essentiellement que l'angle auquel la lumière incidente frappe l'échantillon et l'angle entre l'échantillon et le récepteur peuvent être ajustés séparément pour mesurer comment les changements modifient les propriétés de la lumière réfléchie/diffusée.

Finalement, ROSI sera en mesure de produire des mesures "hémisphériques" dans lesquelles la lumière réfléchie par l'échantillon est enregistrée en de nombreux points constituant un hémisphère complet et produisant un ensemble de données complet.

"Cette nouvelle installation offre aux clients du NIST une capacité étendue, et le NIST lui-même avec un potentiel de recherche étendu, " Cooksey dit. " Auparavant, nous ne pouvions mesurer que dans un seul plan. Nous pouvons maintenant mesurer l'espace hémisphérique complet au-dessus d'un échantillon point par point avec une intensité de lumière incidente considérablement accrue. Cela augmente les types de matériaux que nous pouvons maintenant mesurer, comme les revêtements avec des BRDF intéressants ou très sombres, échantillons noirs."