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Riflettometro
4.1 La riflessione, cenni teorici
La lucentezza è un attributo dell’apparenza visiva che proviene dalla distribuzione geometrica della luce riflessa dalla superficie [10-12]. Nella pratica la luce incidente su una superficie riflettente subisce non solo l’effetto di riflessione1,
ma anche quelli di diffusione2, trasmissione3 e assorbimento4 (fig. 4.1).
Figura 4.1 Diffusione, trasmissione e assorbimento della luce incidente
L’energia della radiazione incidente su di una determinata superficie può dunque essere assorbita, riflessa o trasmessa:
It= Ir+Ia+Itr con Ir= Is5+ Id6
Dato un intervallo dello spettro, si definiscono Assorbanza, Riflettanza e Trasmittanza spettrale i valori di queste energie per unità di lunghezza d’onda su quell’intervallo, riferiti all’energia dell’onda incidente. In altre parole la riflessione è la differenza tra quanto incide e quanto viene assorbito o trasmesso.
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1 La riflessione è un processo coerente; ciò significa che la radiazione riflessa mantiene molte delle
informazioni e delle proprietà della radiazione incidente.
2
La presenza di particelle e di disomogeneità sulla superficie ed all’interno del materiale fa si che i raggi di luce che l’attraversano vengano diffusi. A seconda delle caratteristiche delle disomogeneità la diffusione può anche essere selettiva rispetto alla lunghezza d’onda.
3 La radiazione che non è diffusa, né riflessa né assorbita è trasmessa.
4 Nel caso in cui la radiazione venga assorbita e riemessa ad un’altra lunghezza d’onda.
5 Componente riflessa speculare.
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Componente riflessa diffusa.
Nell’analisi spettrale conta moltissimo non solo il materiale, ma anche la rugosità superficiale dello stesso, secondo le leggi della diffusione [13]. Un materiale si dice un diffusore anisotropo se l’intensità luminosa diffusa non dipende dall’angolo di osservazione.
Un materiale si dice avere una “superficie Lambertiana” se l’intensità luminosa diffusa varia con la legge Lambertiana (cioè con il coseno dell’angolo della direzione di riflessione). Infine un materiale è un riflettore perfetto (alla lunghezza d’onda del raggio incidente), se è perfettamente liscio. I materiali reali sono ovviamente una combinazione dei casi esposti sopra (fig. 4.2).
Figura 4.2 Diffusione Lambertiana, diffusione mista, diffusione anisotropa
La riflessione, essendo dovuta a interazioni microscopiche tra l’onda incidente ed il materiale illuminato, in generale avverrà con modalità diverse a seconda della lunghezza d’onda stessa. La Riflettanza, quindi, dipenderà dalla lunghezza d’onda della radiazione incidente.
Avendo a disposizione un numero sufficiente di rilevazioni, è possibile tracciare l’andamento della Riflettanza in funzione della lunghezza d’onda, ottenendo così le “Curve di Riflettanza”. Generalmente nel rilevamento ci si limita all’intervallo di lunghezza d’onda 0.1- 2.5μm.
La Formula di Fresnel [14] restituisce il valore di Riflettanza (speculare) come rapporto tra la componente di luce riflessa e luce incidente su una superficie perfettamente liscia:
con θ = angolo di incidenza, n = indice di rifrazione, Is = Intensità di luce riflessa speculare, It = Intensità di luce totale incidente.
L’ indice di rifrazione è dato dalla formula di Cauchy [15] come segue:
con A e B costanti dipendenti dal materiale e λ lunghezza d’onda della luce incidente.
L’ equazione di Fresnel [16], per una luce non polarizzata, è data come segue:
Le superfici reali non sono perfettamente lisce, ed al crescere della rugosità superficiale, la componente diffusa della luce riflessa aumenta rispetto alla componente speculare.
Il modello impiegato per identificare la distribuzione delle altezze micrometriche del profilo delle superfici è la distribuzione seguente [17]:
con m e p costanti che controllano la regolarità apparente della superficie. Il rapporto tra la componente di luce riflessa effettiva e quella teorica è quindi:
In definitiva, tenendo conto dell’influenza del materiale (n(λ)), dell’angolo d’incidenza(θ), dell’intensità della luce (It), dello stato di rugosità del materiale (m,p); il rapporto tra la componente effettiva di luce speculare riflessa e il fascio di luce incidente è:
4.2 Attrezzatura sperimentale: il Riflettometro
Il riflettometro è un’apparecchiatura da laboratorio, progettata e realizzata presso il DIMNP dell’Università di Pisa, il principio di funzionamento è basato sull’analisi della luce riflessa con la peculiarità di poter variare la lunghezza d’onda della luce incidente e l’angolo di incidenza.
Il riflettometro sperimentale utilizzato è composto dai seguenti elementi: - fonte luminosa (diodi laser);
- meccanismo di posizionamento; - sensore ottico (Photo Detector);
- sistema computerizzato di acquisizione ed elaborazione dati.
Figura 4.3 Schema del riflettometro sperimentale
Figura 4.4 Schema del riflettometro sperimentale con direzioni di posizionamento
4.3 Fonte luminosa
La fonte d’illuminazione ha quasi esclusivamente emissione monocromatica nella banda del vicino infrarosso (NIR- Near Infra Red), con quattro lunghezze d’onda (λ) diverse, comprese fra 700nm e 1660nm, per avere un’ampia copertura spettrale; inoltre la sorgente deve essere completamente collimata.
La fonte d’illuminazione, il cui schema è riportato in figura 4.5, consiste in un diodo laser di 5.6mm posizionato in un tubo di collimazione al cui interno si trova una lente asferica a diffrazione limitata.
La fonte è collegata ad una piattaforma rotante di alta precisione che può scorrere sulla colonna del meccanismo di posizionamento; inoltre l’asse di rotazione è dotato di un sensore goniometrico incorporato.
La sorgente luminosa è alimentata da un regolatore a corrente continua, con alimentazione elettrica programmabile su una risoluzione a 10μA e rumore
estremamente basso (0,2μA). I parametri tecnici per i diodi laser sono elencati in Tabella 4.1.
Figura 4.5 Schema della fonte d’illuminazione del riflettometro
Tabella 4.1 Parametri tecnici dei diodi laser
4.4 Meccanismo di posizionamento
Il meccanismo di posizionamento ha tre gradi di libertà, due sono gli assi di rotazione ed uno di traslazione; il suo compito è quello di sostenere i componenti del riflettometro (fig. 4.4). Esso è costituito da un braccio a sbalzo orizzontale, di un metro di lunghezza, su cui può scorrere la piattaforma rotante che sostiene il photo-detector; all’estremità del braccio è montata trasversalmente una colonna di 30 cm che sostiene la piattaforma rotante della sorgente luminosa.
4.5 Photo detector
Il photo detector, per la ricezione della luce riflessa dal campione, è un sensore matriciale al Germanio ed è corredato di specifico software per l’acquisizione ed elaborazione dati; esso è costituito da un corpo unico ed è montato su una piattaforma rotante che può scorrere sulla sbarra orizzontale del meccanismo di posizionamento.
La luce inviata dalla sorgente laser viene riflessa dalla mattonella lucidata (l’angolo di incidenza è uguale all’angolo di riflessione) è intercettata dal detector ed è quindi analizzata.
L’operatore deve impostare, attraverso il software di controllo, la lunghezza d’onda di utilizzo della fonte d’illuminazione per poter calibrare la risposta del fotodiodo.
I parametri tecnici per il detector laser sono elencati in Tabella 4.2
Tabella 4.2 Parametri tecnici del photo detector
4.6 Sistema computerizzato di acquisizione ed
elaborazione dati
Attraverso il collegamento del detector al PC l’utente ha a disposizione i dati delle misurazioni sotto forma sia di parametri digitali che di letture grafiche (fig. 4.6) nelle quali si evidenzia l’andamento della distribuzione della radiazione sul sensore matriciale.
I dati possono essere esportati come files di testo o di foglio elettronico per elaborazioni esterne.
Figura 4.6 Grafico fornito dall’interfaccia del photo-detector
4.7 Principio di funzionamento del riflettometro
Il riflettometro è in grado di analizzare la luce riflessa potendo variare la lunghezza d’onda della luce incidente così come l’angolo di incidenza.
Il funzionamento dello strumento richiede alcune fasi preparatorie:
- mediante la rotazione della piattaforma su cui è collocata la sorgente luminosa, si fissa l’angolo di incidenza desiderato;
- si ruota dello stesso angolo il photo-detector; - si invia il raggio laser sul manufatto lucidato;
- si separa la componente della luce riflessa speculare dalla luce diffusa proveniente dalla superficie secondo le seguenti sottofasi:
si individua il massimo d’intensità di luce riflessa dalla superficie, in funzione della posizione di incidenza del massimo stesso sul sensore;
si isola un’area ristretta attorno alla posizione di incidenza del massimo; si elimina la zona complementare a detta area ristretta;
- si legge sul monitor del PC del valore della Intensità della luce Speculare Riflessa.
