Vediamo il mondo riflesso:quasi tutta la luce che entra nei nostri occhi ha rimbalzato prima qualcosa, portando con sé informazioni sulla natura degli oggetti incontrati lungo il percorso. Ma quell'informazione è fortemente influenzata dall'angolo con cui la luce colpisce l'oggetto, e anche l'angolo con cui la luce riflessa raggiunge l'occhio di chi guarda.

Ecco perché le proprietà della luce riflessa a diverse angolazioni e intensità sono estremamente importanti, Per esempio, al modo in cui le auto sono verniciate, si fanno i tessuti, plastiche e rivestimenti sono colorati, i materiali stampati sono prodotti, i sistemi ottici sono progettati, e immagini telerilevate vengono create e interpretate, per citarne solo alcuni.

Inoltre, strumenti utilizzati per molti servizi pubblici e usi di sicurezza nazionale, come il monitoraggio satellitare del tempo e dei disastri naturali, o rilevare l'attività di potenziali avversari:contengono componenti che devono essere calibrati con precisione rispetto a uno standard noto per garantire una caratterizzazione accurata degli effetti della riflettanza e della diffusione della luce.

Il NIST mantiene la scala nazionale per la riflettanza, e ora sta per lanciare un sistema notevolmente migliorato per misurare l'intensità e lo spettro della luce riflessa e diffusa da campioni grandi fino a 30 cm quadrati praticamente in qualsiasi direzione. Chiamato il Robotic Optical Scattering Instrument (ROSI), offrirà nuove capacità che sono sempre più richieste dall'industria e dalla scienza, ma non erano precedentemente disponibili al NIST.

"Abbiamo iniziato a lavorare per sviluppare questo sistema anni fa, " afferma il capo progetto Heather Patrick del Physical Measurement Laboratory del NIST, "arrivare a design progressivamente più sofisticati prima dell'attuale versione di ROSI. Entro la metà del 2017 prevediamo di rendere disponibile ai clienti il ​​primo set di funzioni. Circa un anno dopo, tutte le funzionalità del sistema saranno pienamente operative".

Forse la cosa più importante, ROSI consentirà misurazioni sia nel piano che fuori piano. (Vedi diagramma sotto.) Nel primo, la fonte di luce, il campione, e il ricevitore sono tutti sullo stesso piano; in quest'ultimo, il ricevitore è su un piano diverso.

Le misurazioni fuori dal piano non erano possibili con il predecessore di ROSI, Il cavallo di battaglia del NIST Spectral Tri-function Automated Reference Reflectometer (STARR). "Ma sono importanti per chiunque faccia misurazioni di riflettanza sul campo, come quelli che studiano il colore dell'oceano o il monitoraggio a infrarossi delle firme di calore, " afferma la scienziata del NIST Catherine Cooksey. "Inoltre, sono importanti per i rivestimenti "apparenti al gonio", cioè rivestimenti che riflettono colori diversi a seconda della direzione di visione o illuminazione, come colori iridescenti. Per esempio, vernice per auto che sembra cambiare colore mentre ti muovi all'interno dell'auto."

Inoltre, ROSI estende la gamma di lunghezze d'onda dall'ultravioletto al vicino infrarosso, e può fornire 100 volte più luce incidente rispetto a STARR, consentendo misurazioni dettagliate di campioni con bassa riflettanza e aprendo nuove possibilità per la ricerca.

Il sistema ROSI combina tre integrati, componenti completamente automatizzati (vedi schema). Uno è una sorgente di luce basata su laser che può essere sintonizzata su un colore specifico desiderato, intensità, e polarizzazione prima che si concentri sul campione da studiare. Il raggio forma uno spot di 1 cm di diametro quando brilla esattamente perpendicolare alla superficie del campione, ma si allarga a un'ellisse sempre più ampia e più debole man mano che l'angolo tra la sorgente e il campione diventa sempre più obliquo.

Il campione è montato sull'estremità del secondo componente principale di ROSI, un braccio robotico a 6 assi che può spostare il campione in quasi ogni angolo rispetto al raggio. Il terzo componente è il ricevitore che rileva la quantità di luce diffusa dal campione ad un angolo di visione specifico. Il ricevitore può essere spostato attorno all'asse del braccio del robot, un design che facilita le misurazioni fuori dal piano.

Questa capacità è di fondamentale importanza per caratterizzare i materiali che i sistemi satellitari come la serie Landsat di lunga data, che mappa i cambiamenti nel paesaggio globale, utilizzano per calibrare i loro sensori di bordo. Questi dispositivi ricevono luce riflessa e diffusa proveniente da un'ampia gamma di angolazioni, e la qualità delle osservazioni dipende dalla comprensione del modo in cui quegli angoli influenzano il segnale. L'impatto è grande:dal lancio di Landsat 8 nel 2013, più di 30 milioni di immagini sono state scaricate dal sito del programma.

La NASA fornisce a molti dei suoi altri progetti satellitari misure di riflettanza, e la scala di riflettanza della NASA è riconducibile alla scala di riflettanza nazionale attraverso calibrazioni NIST annuali.

ROSI è progettato per effettuare tre tipi di misurazioni. Il meno complesso coinvolge campioni speculari, in cui quasi tutta la luce incidente viene riflessa ad un angolo. Questa è la prima funzionalità che sarà disponibile entro la fine dell'anno. Il secondo tipo va sotto il nome di funzione di distribuzione della riflettanza bidirezionale (BRDF), il che significa sostanzialmente che sia l'angolo con cui la luce incidente colpisce il campione che l'angolo tra il campione e il ricevitore possono essere regolati separatamente per misurare come i cambiamenti modificano le proprietà della luce riflessa/diffusa.

Finalmente, ROSI sarà in grado di produrre misurazioni "emisferiche" in cui la luce riflessa dal campione viene registrata in numerosi punti che costituiscono un emisfero completo e producono un set di dati completo.

"Questa nuova struttura offre ai clienti del NIST una capacità ampliata, e lo stesso NIST con un ampio potenziale di ricerca, " dice Cooksey. "In precedenza, potremmo misurare solo all'interno di un singolo piano. Ora possiamo misurare l'intero spazio emisferico sopra un campione punto per punto con un'intensità di luce incidente significativamente aumentata. Ciò aumenta i tipi di materiali che ora possiamo misurare, come rivestimenti con BRDF interessanti o molto scuri, campioni neri."