Mesure de la brillance

1 Mesure de brillance pour garantir une cohérence

Les effets de brillance sont basés sur l'interaction de la lumière avec les propriétés physiques d'un objet. De plus, la brillance est influencée par l'évaluation physiologique de l'observateur. La première impression d'un produit est fortement influencée par la qualité de sa surface. Pour de nombreux produits, une brillance homogène et constante est considérée comme un paramètre de qualité décorative et est influencée par de nombreux paramètres du processus de production.
Il ne fait aucun doute que l'œil humain est de loin le meilleur instrument optique pour évaluer la brillance. L'œil humain peut différencier sans problème des différences de luminosité comprises entre 1 et 10 millions [1]. Néanmoins, l'évaluation de la surface visuelle est insuffisante en raison des variables suivantes :
•    Conditions d'évaluation indéfinies
•    Le jugement dépend de l'humeur de l'observateur
•    Différents observateurs ont une acuité visuelle 
Pour garantir une assurance qualité fiable et pratique, il est nécessaire de décrire la brillance des surfaces avec des critères objectifs et mesurables. Les appareils de mesure de la brillance sont utilisés dans l'industrie depuis 1930. Des effets spéciaux de brillance ont conduit au développement de nouveaux systèmes de mesure et une meilleure corrélation avec l'évaluation visuelle [2, 3, 4].
 

2 Perception visuelle des différents niveaux de brillance

La brillance et la couleur sont des sensations visuelles perçues lors de l'évaluation d'une surface. Nous évaluons la capacité d'une surface à réfléchir la lumière incidente dans la direction spéculaire, c'est-à-dire que les sources lumineuses ou les objets sont réfléchis. L'impression de brillance est influencée par les paramètres suivants (Fig. 1) 

2.1 Surface properties

• Matériau (par exemple, revêtements, plastique, métaux)
• Topographie de surface (par exemple lisse, rugueuse, structurée)
• Degré de transparence
• Substrat
   

2.2 Illuminant

Afin d'évaluer la brillance, il est nécessaire d'avoir un éclairage direct. Un éclairage diffus provoque une réflexion diffuse résultant en une impression de brillance réduite.

2.3 Observateur

L'évaluation visuelle dépend de l'acuité visuelle (physiologie) et de l'humeur de l'observateur (psychologie). Nous évaluons visuellement une surface en fixant notre œil soit sur la réflexion d'une source lumineuse, soit sur la surface elle-même [5]. Les deux types d'évaluation influencent l'impression globale de brillance :

En se concentrant sur l'image réfléchie d'une source lumineuse (Fig. 2), on évalue la netteté de l'image [6]. L'image réfléchie de la source lumineuse peut apparaître brillante ou terne (brillance spéculaire). Les contours de l'image réfléchie peuvent être distincts ou flous (clarté de l'image) ou un haze peut entourer l'image réfléchie (voile).
En se concentrant sur la surface, nous obtenons également une impression de la taille et de la forme de la structure (Fig. 3). Ces structures peuvent être vues comme un motif ondulé de zones claires et sombres. Dans l'industrie, ce motif ondulé est souvent appelé peau d'orange.
 

Image 1 Componsants de la perception de la brillance - Source lumineuse, surface, observateur

Image 2 Focus sur l’image réfléchie

Image 3 Focus sur la surface

3 Comportement de réflexion des surfaces

La brillance est une impression subjective et non une propriété physique de la surface. La réflexion spéculaire, qui fait partie de l'impression globale de brillance influencée par les propriétés de réflexion de la surface, peut être mesurée physiquement et objectivement

3.1 Surfaces planes très brillantes

En cas de surfaces planes à haute brillance, la loi de réflexion est valable :
Angle d'éclairage = Angle de réflexion (Fig. 4).
Ces types de surfaces sont également considérés comme formant une image, car l'image d'un objet réfléchi peut être vue distinctement.
La lumière est réfléchie au niveau de la première surface dans la direction spéculaire de réflexion. L'intensité de la lumière réfléchie dépend de l'angle d'éclairage et des propriétés du matériau (indice de réfraction).
• Matériaux métalliques : haute intensité, peu dépendant de l'angle
• Matériaux non-métalliques : intensité plus faible, en fonction de l'angle d'éclairage et de l'indice de réfraction du matériau
Dans le cas de matériaux non-métalliques, une partie de la lumière éclairée pénètre dans le matériau et est sélectivement absorbée ou diffusée de manière diffuse en fonction de la couleur du pigment. La lumière diffusée de manière diffuse sort du matériau et nous donne l'impression d'une couleur spécifique (Fig. 5). Cette composante diffuse est également répartie dans toutes les directions spatiales
    

3.2 Surfaces semi-brillantes

Dans le cas de surfaces plus rugueuses, la lumière n'est pas seulement réfléchie dans la direction de réflexion spéculaire, mais également réfléchie de manière diffuse dans d'autres directions (Fig. 6).
La capacité d'une surface à réfléchir un objet est fortement réduite. Plus la lumière est répartie uniformément dans toutes les directions, moins la composante spéculaire apparaîtra intense et moins la surface sera brillante. Un effet spécial des surfaces mates, appelé Sheen, peut être observé lors de la visualisation à des angles presque rasants : dans une plage de 80° ou plus, la surface commence à paraître de plus en plus brillante. 
 

3.3 Surface très brillante avec voile (voile de réflexion)

S'il y a des défauts microscopiques sur une surface très brillante, il y aura une lumière diffuse de faible intensité adjacente à la réflexion spéculaire (Fig. 7). La majeure partie de la lumière sera réfléchie dans la direction spéculaire, ce qui donnera un aspect brillant et distinct formant une image qui semble être recouverte d'un film trouble ou laiteux.

3.4 DOI versus brillance sur des surfaces très brillantes

Les structures fines proches de la résolution de l'œil humain (environ 0,1 mm), c'est-à-dire dans une plage de quelques microns jusqu'à environ 1 mm, influencent la qualité de formation d'image d'une surface. Richard Hunter [2] a appelé ce type de brillance Distinctness Of Image (DOI). Son impact sur la perception visuelle peut être décrit comme la netteté des bords réfléchis. La mesure de la brillance spéculaire dépend de l'intensité de la lumière réfléchie et de l'indice de réfraction du matériau, tandis que le DOI est une mesure relative et correspond mieux à la brillance perçue des finitions très brillantes.

Image 4 Réflexion spéculaire sur la 1ère surface

Image 5 Diffusion diffuse du matériau

Image 6 Semi-brillant - diffusion diffuse de la surface

Image 7 Haze de reflexion

4 Brillancemètre

4.1 Principe de mesure 

Le principe d'un brillancemètre repose sur la mesure de la composante spéculaire de la lumière réfléchie (Fig. 8). L'intensité de la lumière réfléchie est mesurée dans une plage angulaire spécifique qui est limitée par une ouverture "AP".
La source lumineuse éclaire la surface en passant par une autre ouverture "AP1" (Fig. 9). Un détecteur photo électronique mesure la lumière traversant l'ouverture "AP2".
La mesure de la valeur de brillance est une mesure relative. Les résultats de mesure sont liés à un étalon de verre noir hautement poli avec un indice de réfraction défini de 1,567. Cet étalon de verre noir a une valeur de brillance spéculaire assignée de 100 (étalonnage).
Afin d'obtenir des résultats comparables, le dispositif de mesure et le fonctionnement ont été définis dans des spécifications internationales : ISO 2813, ASTM D523, JIS Z 8741 et DIN 67530 [7, 8, 9, 10].
Les spécifications définissent les paramètres suivants :

•  Conditions géométriques (angle d'éclairage et de réflexion, angle d'ouverture, source lumineuse et sensibilité du détecteur)
•  Procédure de calibrage
•  Procédure de mesure
•  Application et limites (par exemple, surfaces courbes)
   

4.2 Quand utiliser quelle géométrie de mesure ?

L'angle d'éclairage influence fortement les résultats de mesure. Dans le cas des revêtements, des plastiques et des produits connexes, une partie de la lumière éclairée est réfléchie sur la première surface et une partie pénètre dans le matériau. Plus l'angle d'éclairage est grand, plus la quantité de lumière réfléchie est grande. Afin d'obtenir une bonne différenciation de toute la gamme des surfaces à haute et faible brillance, trois angles d'éclairage différents, c’est à dire trois plages de mesure différentes ont été définies (Fig. 10) :

• Surfaces brillantes à 20°
• Surfaces semi-brillantes à 60°
• Surfaces peu brillantes à 85°

Afin d'obtenir une différenciation claire sur toute la plage de mesure, du brillant au mat, trois géométries, c'est-à-dire trois plages différentes, sont standardisées. Une géométrie de mesure unique, telle que 60°, est susceptible de ne pas fournir des lectures de brillance d'instrument qui correspondent bien à l'observation visuelle lors de la comparaison de différents niveaux de brillance. Par conséquent, les normes internationales prévoient des mesures à différents angles d'incidence. Le choix de la géométrie dépend du fait que l'on procède à une évaluation générale de la brillance, en comparant des finitions à haute brillance ou en évaluant des spécimens à faible brillance. La géométrie à 60° est utilisée pour comparer la plupart des spécimens et pour déterminer quand la géométrie à 20° ou 85° peut être plus approprié. La géométrie à 20° est avantageuse pour comparer des spécimens ayant des valeurs de brillance à 60° supérieures à 70. La géométrie à 85° est utilisée pour comparer des spécimens pour une brillance presque rasante. Il est le plus souvent appliqué lorsque les échantillons ont des valeurs de brillance à 60° inférieures à 10.

Dans une étude de cas, 13 échantillons ont été classés visuellement de mat à très brillant et mesurés avec les trois géométries spécifiées. Dans la pente raide des courbes, les différences entre les échantillons peuvent être clairement mesurées, tandis que dans la partie plate, la géométrie de mesure n'est plus corrélée avec la perception visuelle (Fig. 11).
De plus, des géométries spécifiques à l'industrie ont été établies :

• Films céramiques, plastiques et plastiques à 45° (ASTM C346, -D2457, JIS Z8741)
• 75° Bardage en vinyle et industrie du papier (ASTM D2457, - D3679, JIS Z8741, Tappi T480) 
   

Image 8 Mesure de la composante spéculaire

Image 9 Principe dun brillancemètre

Image 10 Conditions géométriques normalisées

Image 11 Valeurs de brillance spéculaire en fonction de langle de mesure

5 Mesure de la brillance d'applications spéciales

5.1 Mesure de la brillance des films ou feuilles transparents

Outre la transparence, les films de haute qualité nécessitent des propriétés de réflexion définies, qu'il s'agisse d'emballages brillants ou de films antireflets pour une utilisation LCD. La méthode internationalement normalisée de mesure de la brillance éclaire l'échantillon sous un angle défini et détecte l'intensité de la lumière réfléchie. Pour les matériaux transparents, une partie de la lumière d'éclairage pénètre la surface. La lumière transmise est réfléchie sur la surface arrière à l'intérieur du matériau et est partiellement transmise dans la direction du capteur (Fig. 12).
Cette réflexion supplémentaire dépend du fond utilisé et a un impact significatif sur la mesure. Pour minimiser cette influence, il est recommandé d'utiliser un fond noir mat, par ex. carton, et il est important de toujours utiliser le même fond. C'est encore plus difficile lorsque les échantillons sont très fins et ne forment pas une surface vraiment plane sous le brillancemètre. Par conséquent, une plaque à vide est souvent utilisée pour s'assurer qu'aucune bulle d'air ou aucun pli ne fausse les résultats de brillance mesurés.
 

5.2 Mesure de la brillance des finitions mates et structurées

Le design intérieur par ex. l'automobile, prend de plus en plus d'importance dans la décision d'achat. Un grand défi consiste à obtenir un « sentiment » de grande valeur tout en minimisant les coûts. Par conséquent, une variété de matériaux sont utilisés et doivent être harmonisés. Comme point de départ, les plaques standard principales sont fabriquées avec généralement un plat et plusieurs zones granuleuses. Celles-ci sont envoyées aux fournisseurs comme objectif à atteindre avec les pièces de production réelles. Afin de garantir un aspect uniforme entre les différents matériaux, des tolérances très strictes sont spécifiées. Au lieu de travailler avec des nombres de brillance absolus, le QC de la production du fournisseur doit être basé sur la pièce approuvée et seules les différences sont vérifiées. Cette procédure élimine l'erreur de reproductibilité car la brillance est mesurée relativement sur le même type de matériau et la même surface. Par conséquent, une différence de 0,3 unités de brillance d'une pièce à l'autre peut être considérée comme une différence significative. 

Tolérances typiques : 60° Brillance : < 5 GU +/- 0,3 à 0,5

Les brillancemètres micro-gloss S de BYK-Gardner avec des performances techniques améliorées pour une brillance à 60° dans la plage de faible brillance (0-20 GU) permettent un contrôle qualité fiable de ces spécifications difficiles. L'excellente répétabilité de +/-0,1 peut être garantie grâce à notre procédure d'étalonnage brevetée et à l'excellente stabilité de température des résultats de mesure.

5.3 Mesure de la brillance de grandes surfaces  

Sur les produits de grandes surfaces, l'homogénéité est une caractéristique de qualité importante. Les applications typiques consistent à évaluer la variation de brillance sur les revêtements en vinyle ou les stratifiés de revêtement de sol. Par conséquent, le brillancemètre BYK-Gardner propose un mode dit continu. Ce mode permet d'effectuer des mesures en continu avec un intervalle de temps défini par l'utilisateur. Tandis que l'appareil est déplacé sur la grande zone de mesure. L'utilisateur peut voir directement sur l'écran la valeur de brillance de chaque lecture. Après avoir scanné la surface, le micro-gloss propose des statistiques telles que des valeurs moyennes et min/max qui peuvent être utilisées pour définir l'uniformité de la brillance. 

Image 12 Multi-réflexion dans transparent ou de matériaux translucides sur un fond défini

6 Limites de la mesure de la brillance

6.1 Brillance des surfaces courbes

Les brillancemètres classiques sont essentiellement destinés à la mesure sur des surfaces planes. Les courbures convexes ou concaves modifient la direction de réflexion de la même manière que les lentilles optiques ou les miroirs [Fig. 13] et faussent ainsi le résultat de la mesure de la brillance. Certains produits ont une courbure si faible que des mesures comparatives ne sont possibles qu’avec une tolérance appropriée. Des recherches à cet effet ont déjà été menées dans les années 1970, où les écarts étaient maintenus en dessous d'environ 5% pour des rayons supérieurs à env. 50 - 80 cm [11]. Bien entendu, ces écarts dépendent avant tout de la matière, du niveau de brillance et de la géométrie ; plus le niveau de brillance est élevé, plus l'effet de courbure est important. L'inclinaison est également un facteur important, de sorte que l'utilisation d'un dispositif de positionnement est recommandée

6.2 Surfaces structurées

La réflectivité et la brillance sont basées sur l'interaction de la lumière avec les propriétés physiques de la surface de l'échantillon. L'intensité dépend du matériau et de l'angle d'éclairage. Les résultats de mesure d'un brillancemètre conventionnel sont liés à la quantité de lumière réfléchie par un étalon de verre noir avec un indice de réfraction défini. Le brillancemètre classique n'inclut pas les effets de la structure ou le comportement complexe de la brillance des surfaces 3D. 
Le nouveau spectro2profiler utilise une technique photométrique stéréo pour estimer les normales de surface, afin de calculer une topographie 3D de la surface. Les normales de surface sont calculées en observant la surface avec différentes directions d'éclairage. En utilisant la forme de l'ombrage, la courbure de la surface est estimée et la carte de hauteur de l'objet peut être calculée. Le résultat est une véritable topographie 3D de la surface de l'objet mesuré.
 

6.3 Variation spatiale de la brillance

Les ombres portées et les zones invisibles pour le détecteur de mesure peuvent fausser le résultat de la mesure de la brillance spéculaire. De plus, la perception de la brillance ne dépend pas seulement de la brillance spéculaire mais également du contraste observé entre les reflets spéculaires et les surfaces à réflexion diffuse. Un brillancemètre conventionnel n'est pas capable de capturer un comportement réfléchissant plus complexe tel que des réflexions réparties dans l'espace, par ex. de hautes collines réfléchissantes à côté de vallées basses réfléchissantes qui apparaissent dans des structures ressemblant à du cuir.
Le nouveau spectro2profiler dispose d’une technologie basée sur une caméra qui capture la distribution spatiale de la réflectivité. Une configuration d'éclairage en ligne élimine les ombres portées, les zones invisibles et les distorsions de perspective afin que la mesure soit indépendante de l'orientation (Fig. 14). La caméra acquiert des images de réflectivité 2D, permettant une analyse plus détaillée des distributions de réflectivité d'une surface.
Pour évaluer l'apparence générale d'un objet, il est nécessaire de mesurer la structure de surface et la réflectivité en parallèle, car elles sont interdépendantes, mais combinées pour une évaluation visuelle globale. Parce que nos yeux ne soient capables d'acquérir que des informations 2D, le système visuel humain reconstruit les informations 3D des objets dans notre cerveau en utilisant l'ombrage et les réflexions. Cela signifie que la profondeur perçue d'une structure dépend du comportement de réflexion sur les collines et les vallées. Étant donné que le spectro2profiler utilise le même système de caméra et d'objectif pour l'acquisition de données de topographie 3D et de réflectivité 2D, il est possible de combiner les données des deux principes de mesure. Ainsi, le reflet des collines et des vallées peut être séparé. La différence entre la réflexion des collines et des vallées, décrit le contraste et la profondeur perçue d'une surface structurée.
 

Image 13 Répartition lumineuse par courbure

Image 14 Configuration de la mesure de réflectivité à résolution spatiale

7 Résumé

Comme la couleur, l'impression visuelle de brillance est un paramètre multidimensionnel. Depuis de nombreuses années, les brillancemètres sont utilisés pour mesurer la réflexion spéculaire dans les applications de laboratoire et de contrôle qualité. Afin de caractériser l'ensemble de l'impression visuelle de brillance, il est nécessaire de mesurer des paramètres de brillance supplémentaires comme le voile et la peau d'orange. BYK-Gardner propose une gamme complète d'appareils de mesure d'apparence. Conçus pour des applications en laboratoire comme sur le terrain, ils permettent de déterminer objectivement le brillant spéculaire, le voile et la peau d'orange.