Measuring and modelling light scattering in paper

Abstract: Avhandlingen behandlar de teoretiska och praktiska aspekterna av att använda spektrala vinkelupplösta reflektansmätningar för optisk karakterisering av fiberbaserade material såsom papper och kartong. En spektral goniofotometer används för att mäta det reflekterade ljusets vinkelfördelning. En stor del av arbetet utgörs av att utvärdera instrumentets noggrannhet, samt utreda hur de vinkelupplösta mätningarna skall utföras på bästa sätt för att erhålla en så fullständig karakterisering som möjligt. Det reflekterade ljuset består av tre komponenter; ytreflektans, bulkreflektans samt fluorescens. En fullständig karakterisering förutsätter att dessa tre komponenter kan analyseras separat, vilket i detta arbete görs genom nyutvecklade metoder.En metod har utvecklats för separation av ytreflektans och bulkreflektans. Metoden bygger på att analysera hur den totala reflektansen förändras vid ökande absorption i det reflekterande materialet. Absorptionen kontrolleras genom inkjet-tryckning där tryckfärg appliceras på substratet i sådan mängd att bulkreflektansen helt släcks ut. Genom att kombinera mätningar på tryckt och otryckt substrat kan de båda komponenterna separeras. Trots att ytreflektansen från ett matt papper är liten i förhållande till bulkreflektansen, så visar resultaten att den ökar markant med ökande betraktningsvinkel och kan därmed ha stor inverkan på den totala reflektansen. Bidraget från fluorescens kan kvantitativt analyseras genom att kombinera mätningar utförda med respektive utan UV-filter. Vinkelupplösta mätningar och Monte Carlo-simuleringar av fluorescensens vinkelfördelning visar att dess anisotropi är relaterad till det medeldjup vid vilket fluorescensen emitteras. Resultaten förklarar observerade skillnader och motstridigheter i tidigare rapporterade studier kring huruvida fluorescens kan anses vara Lamberskt fördelad.Samtliga goniofotometriska mätningar är utförda med ett kompakt, kommersiellt tillgängligt, dubbelstråleinstrument. För att undersöka instrumentets lämplighet för absoluta reflektansmätningar utförs en analys av dess mätnoggrannhet. Resultaten visar att instrumentets kompakta storlek i kombination med den anisotropa reflektansen från papper introducerar systematiska fel av samma storleksordning som den totala mätnoggrannheten. Dessa fel uppstår på grund av den relativt stora detektorapertur som måste användas vid mätningar av diffus reflektans, vilket är karakteristiskt för papper och kartong. Resultaten visar även att felen är störst vid flacka mätvinklar och för prover med hög grad av anisotropisk reflektans, och en geometrisk korrektionsmetod för denna typ av systematiska fel föreslås.Spektrala och vinkelupplösta mätningar medför per automatik stora mängder mätdata. Genom att använda strålningstransportteori som en matematisk modell för hur ljus sprids i papper kan mätdatat reduceras till en uppsättning beskrivande materialparameterar. Att uppskatta dessa optiska parametrar utifrån vinkelupplösta reflektansmätningar är i sig ett komplicerat problem, vilket dessutom är känsligt för mätfel och val av mätvinklar. Detta inversa problem analyseras i detalj, och speciellt hur valet av mätvinklar kan reduceras utan att försämra förutsättningarna för estimeringen. Simuleringar visar att mätningarna kan begränsas till infallsplanet, eller till och med enbart framåtriktningen, så länge tillräckligt flacka mätvinklar är inkluderade i mätsekvensen.