Métrologie de l’apparence : Etude du speckle dans les mesures de BRDF à très haute résolution angulaire.

Metrology of Appearance : Study of Speckle within very high angular resolution BRDF measurements.

• Auteur / Autrice : Thomas Labardens
• Direction : Gaël Obein, Lionel Simonot, Mathieu Hébert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Métrologie. Milieux dilués et optique
• Date : Soutenance le 11/01/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LCM - Laboratoire commun de métrologie LNE Cnam - Laboratoire Commun de Métrologie
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Conservatoire national des arts et métiers (France ; 1794-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Lalanne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gaël Obein, Lionel Simonot, Mathieu Hébert, Philippe Lalanne, Myriam Zerrad, Renée Charrière, Pierre Chavel, Florence Garrelie
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Myriam Zerrad

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métrologie virtuelle

Thèses et écrits académiques -- Catalogage

Mots clés libres

Speckle

Brdf

Métrologie

Apparence

Brillant

Radiométrie

Speckle

Brdf

Metrology

Appearance

Gloss

Radiometry

Résumé

La mesure quantitative de l’apparence visuelle des objets est un sujet d’importance croissante pour l’industrie dans de nombreux domaines comme l’automobile, la cosmétique, l’emballage, l’impression 3D ou la réalité virtuelle. Les techniques de mesure s’appuient désormais sur l’acquisition de la réflectance bidirectionnelle (BRDF) réalisée grâce à des équipements appelés goniospectrophotomètres. La BRDF est habituellement mesurée en lumière incohérente. Cependant, les équipements ont atteint aujourd’hui une telle résolution angulaire que même dans ces conditions, des effets d’interférence apparaissent dans les mesures, produisant un phénomène de scintillement lumineux que l’on appelle speckle. En métrologie, ce scintillement qui varie selon la zone éclairée sur une surface pourtant homogène est considéré comme une perturbation par rapport au mesurande, la BRDF, qu’on cherche a atteindre. Cette thèse s’intéresse à ce phénomène de speckle, et à la manière dont il dépend des caractéristiques du goniospectrophotomètre utilisé (en particulier l’instrument ConDOR du LNE-CNAM, très résolu angulairement) et des propriétés statistiques de la surface étudiée.Un état de l’art sur la métrologie de l’apparence permet de comprendre les enjeux liés à la mesure des grandeurs de référence pour l’apparence. On précise alors que l’étude approfondie du brillant est à l’origine des mesures à très haute résolution angulaire qui ont fait apparaitre le speckle au sein des mesures. La théorie du speckle montre alors que son comportement statistique en fonction des différentes configurations permet de le caractériser, et nous utilisons les lois de probabilité de répartition de la luminance sur le capteur pour comprendre les différents « ordres » de speckle observés. Les différents paramètres variables du système, à savoir la divergence de la source, sa largeur spectrale, le choix et la taille de la zone éclairée sur l’échantillon et l’impact de la résolution angulaire de la détection sont ensuite étudiés. Les résultats des mesures sont présentés dans le chapitre 2. La résolution angulaire du système dans le cadre de ces mesures est fixée pour ne pas dégrader les progrès réalisés par ConDOR. De ces mesures découlent la nécessité de préciser l’impact de la cohérence spatiale et temporelle. Les chapitres 3 et 4 visent à apporter une compréhension plus approfondie de l’effet de speckle au sein de mesures de BRDF. Une première emphase porte sur le phénomène de cohérence spatiale en lumière monochromatique. Des mesures en éclairage laser permettent alors de conclure sur le rôle du diamètre du faisceau : s’il augmente, les grains de speckle sont plus larges, ils se resserrent et le contraste est plus faible. La cohérence des résultats de ces mesures avec la théorie du speckle est assurée par des simulations de BRDF empiriques correspondants aux différents cas exposés. L’impact de la polarisation est également observé. La démarche en éclairage monochromatique est ensuite complétée par des mesures et des simulations en éclairage incohérent, où l’impact de la largeur spectrale de la source entre en considération. Les figures de speckle observées voient les grains se transformer en traînées radiales. Les comparaisons entre mesures et simulations théoriques se révélant insuffisantes, une démarche de simulation basée sur les microtopographies de surface fut mise en place. Les résultats de ces simulations sont concluants. Ces dernières simulations, accompagnées de générations de surfaces fictives basées sur les mesures de microtopographies, servent alors dans le chapitre 5 de base à un moyennage théorique permettant d’approcher une fonction moyenne, qu’on pourra considérer comme la « vraie » BRDF qui caractérise toute la surface, et non seulement la zone particulière de la mesure. Une fois encore, cette moyenne est comparée à un moyennage de signaux mesurés.

The quantitative measurement of the visual appearance of objects is a subject of increazing importance for the industry in many fields such as automotive, cosmetics, packaging, 3D printing or virtual reality. The measurement techniques are now based on the acquisition of the bidirectional reflectance (BRDF) performed with a goniospectrophotometers. BRDF is usually measured with incoherent light. However, instruments have now reached such an angular resolution that even in these conditions, interference effects appear in the measurements, producing a phenomenon of light flicker called speckle. In metrology, this flicker, which varies according to the illuminated area on a homogeneous surface, is considered as a disturbance with respect to the targeted measurand, the BRDF. This thesis focuses on this speckle phenomenon, and on the way it depends on the characteristics of the goniospectrophotometer used (in particular the ConDOR instrument of LNE-CNAM, very angularly resolved) and on the statistical properties of the surface studied.A state of the art on appearance metrology allows to understand the issues related to the measurement of reference quantities for appearance. It is then specified that the thorough study of gloss is at the origin of the measurements with very high angular resolution which made appear the speckle within the measurements. The theory of speckle then shows that its statistical behavior as a function of different configurations allows to characterize it, and we use the probability laws of distribution of luminance on the sensor to understand the different "orders" of speckle observed. The different variable parameters of the system, namely the divergence of the source, its spectral width, the choice and size of the illuminated area on the sample and the impact of the angular resolution of the detection are then studied. The results of the measurements are presented in Chapter 2. The angular resolution of the system in these measurements is fixed so as not to degrade the progress made by ConDOR. From these measurements comes the need to specify the impact of spatial and temporal coherence. Chapters 3 and 4 aim to provide a deeper understanding of the speckle effect within BRDF measurements. A first emphasis is put on the spatial coherence phenomenon in monochromatic light. Measurements in laser illumination allow to conclude on the role of the beam diameter: if it increases, the speckle grains are larger, the contrast is lower. The consistency of the results of these measurements with the speckle theory is ensured by empirical BRDF simulations corresponding to the different cases presented. The impact of polarization is also observed. The approach in monochromatic illumination is then completed by measurements and simulations in incoherent illumination, where the impact of the spectral width of the source is considered. The observed speckle patterns see the grains transform into radial streaks. The comparisons between measurements and theoretical simulations proved insufficient, so a simulation approach based on surface microtopography was implemented. The results of these simulations are conclusive. These simulations, accompanied by the generation of fictitious surfaces based on the microtopography measurements, are then used in chapter 5 as a basis for theoretical averaging to approach a mean function, which can be considered as the "true" BRDF that characterizes the entire surface, and not only the particular area measured. Once again, this average is compared to an averaging of measured signals.