Design of the detection of metrological gonioreflectometer for measuring the BRDF of surface

Le but de ce travail de thèse est de doter la métrologie française d'un instrument de référence dédié à la caractérisation métrologique des propriétés réflectives des objets qui, du point de vue de l'apparence, sont à l'origine des sensations de couleur, de brillant, de texture, de translucidité…etc. Ce mémoire décrit la conception, réalisation et mise au point d'un dispositif de mesure de la fonction de distribution bidirectionnelle du facteur de luminance d'une surface plane (BRDF). La BRDF est la grandeur physique qui caractérise intégralement la réflexion lumineuse à la surface d'un matériau. En cela, sa mesure s'inscrit comme un outil indispensable pour la mesure de l'apparence car elle permet de connaître en détail le signal qui entre dans l'œil.Certaines surfaces présentent une apparence pigmentée, métallisée, nacrée ou encore interférentielle, ces surfaces, dites "goniochromatiques", ont la capacité de changer d'apparence en fonction de l'angle d'observation. Pour les caractériser, il est impératif d'effectuer une mesure de BRDF sous plusieurs conditions d'observation et d'illumination. L'outil de mesure de la BRDF est un gonioréflectomètre, dédié à des mesures dans le domaine UV - Visible (250 nm – 900 nm).Le montage expérimental consiste en deux lignes distinctes. La première, appelée voie spectrale, est dédiée à l'étude de la couleur. Elle est constituée d'une illumination fixe assurée par une lampe à décharge de xénon filtrée par un monochromateur puis focalisée sur la surface étudiée. La détection, mobile, est assurée par un système optique constitué de lentilles et de miroirs qui servent à renvoyer la lumière réfléchie par la surface sur la photodiode.La deuxième ligne, appelée voie spatiale, est la dédiée à l'étude du brillant. Elle requière une résolution angulaire qui égale l'acuité visuelle de l'œil humain (0,03°) c'est cette partie qui introduit l'originalité de notre instrument. Sur cette voie, la détection est fixe et est basée sur la combinaison d'une optique de Fourier et d'une caméra CCD (512x512 pixels). L'illumination est mobile et est assurée par une lampe incandescente à filament de tungstène collimatée sur l'échantillon.Les deux lignes partagent un robot porte-échantillon qui offre six dégrées de liberté qui sert à reproduire toutes les directions d'illumination et d'observation au-dessus de l'échantillon.Mots clés : Couleur, Brillant, BRDF, Goniochromatisme, Pic spéculaire.The aim of this thesis is to provide the French Metrology with a reference instrument that can be used for measuring the appearance of objects. Several physical properties of object appearance are used not only to identify the object itself but also determine its quality. These include color, gloss, texture and translucency. This work describes the design, characterization and the implementation of an instrument that has been built particularly to measure the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) of planar surfaces. BRDF is a physical quantity that enables measuring the surface color and gloss. Accordingly it is important to ensure accurate and traceable measurements of such a quantity in order for a comprehensive understanding of surface properties to be fulfilled.Some surfaces show pigmented, metallic, sparkling or pearlescent appearance. These surfaces, called goniochromatic surfaces, have the ability to change their appearance depending on the viewing angle. To characterize them, it is necessary to deliver surface reflectance measurements at several directions and under different illumination conditions. The instrument that enables these measurements is called gonioreflectometer.The experimental setup we have designed consists of two separate detection lines. The first line, called "color line", is used to study the color. It consists of a stationary illumination source that uses a xenon lamp spectrally resolved by a monochromator. The light coming out from the source is focused on the surface under investigation. The reflected light by the surface is collected by using a lens and directed onto a photodiode by a mirror. This detection system can be moved over a wide angular range so as to measure the BRDF.The second line, called "gloss line", is used to measure the gloss of the surface. In order to be very close to the average human observer, high angular resolution is required. In this line the detection part is stationary. It consists of a Charged Coupled Device (CCD) camera of 512 x 512 pixels. The source used to illuminate the surface is an incandescent tungsten lamp. Angular measurements in this line are provided by the movement of the illumination source itself. Both color and gloss lines share a robot sample-holder that provides six degrees of freedom. This of course facilitates measurements over varies detection and illumination directions of the sample.Key words: Color, Gloss, BRDF, Goniochromatisme, Specular pic