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Was ist die bidirektionale Streuverteilungsfunktion (BSDF)?
Definition der bidirektionalen Streuverteilungsfunktion (BSDF)
BSDF steht für Bidirectional Scattering Distribution Function (Bidirektionale Streuverteilungsfunktion). Dabei handelt es sich um eine mathematische Funktion, die beschreibt, wie Licht von einer Oberfläche gestreut wird.
Sie ist mathematisch durch die folgende Formel in Abbildung 1 definiert, wobei:
- L ist die Leuchtdichte auf der Probenoberfläche in Richtung des Beobachters
- E ist die Beleuchtungsstärke auf der Probenoberfläche aus Richtung der Lichtquelle.
- Λ ist die Wellenlänge
Abbildung 1. Formel für BSDF.
Abbildung 2. Diagramm Angezeigt BSDF, Eingangslicht und Beobachterrichtung.
In der Praxis wird dieses Phänomen üblicherweise in reflektierte und transmittierte Komponenten aufgeteilt, die dann separat als BRDF (Bidirektionale Reflexionsverteilungsfunktion) und BTDF (Bidirektionale Transmissionsverteilungsfunktion) behandelt werden.
Abbildung 3. Einfallendes Licht, spiegelnde Reflexion, reflektierte Streuverteilung BRDF, transmittierte Streuverteilung, BTDF, spiegelnde Transmission.
Inhaltsübersicht
Warum ist BSDF für ein optisches Design wichtig?
Im optischen Designprozess hängen präzise Simulationsergebnisse von genauen optischen Eigenschaften ab. Die Geometrie allein bestimmt nicht die Lichtverteilung; vielmehr legen die optischen Eigenschaften fest, wie sich Energie und Richtung der Lichtstrahlen verändern. Daher ist es wichtig, die optischen Eigenschaften der verwendeten Materialien so genau wie möglich zu kennen. Am besten lassen sich präzise Eigenschaften ermitteln, indem man das Material direkt misst und die Daten in eine optische Software exportiert.
Anforderungen:
- Optische Designer benötigen genaue optische Eigenschaften für Strahlverfolgungssimulationen.
- Forschungs- und Entwicklungsingenieure müssen das richtige Material mit den vorgegebenen optischen Eigenschaften entwickeln.
- Der Herstellungsprozess muss die Qualitätskontrolle perfekt kontrollieren.
Lösungen:
- Winkelstreuung im optischen Bereich mit BSDF
- Lichtausbreitungsgrad TIS (Reflexions-, Transmissions-, Absorptionsverhältnis)
Welche Lösungen bietet Keysight zur Messung von BSDF an?
BSDF kann im Wesentlichen auf zwei Arten gemessen werden: mit Goniophotometern und kamerabasierten Systemen. Keysight bietet für jede Methode zwei Lösungen an.
Goniophotometer
Die BSDF kann man mit einem klassischen Goniophotometer messen, bei dem eine statische Lichtquelle eine Probe beleuchtet und ein beweglicher Detektor um die Probe herumfährt, um das Streulicht aufzufangen (oder umgekehrt – mit einer beweglichen Lichtquelle und einem statischen Detektor).
Keysight bietet zwei Goniophotometer-Lösungen an, die unten abgebildet sind: das REFLET 180S (links) und das High Specular Bench (rechts).
Für diese hochauflösenden, hochdynamischen motorisierten Streulichtmesssysteme bieten wir Messdienstleistungen in unserem Labor an. Das Keysight REFLET 180S ist auch käuflich zu erwerben.
Lösungsspezifikationen
| Besonderheit | Keysight REFLET 180S | Keysight High Specular Bench |
|---|---|---|
| Typ | BRDF/BTDF | BRDF/BTDF |
| Dynamischer Bereich | 109 | 1013 |
| Wellenlängenbereich | 400 nm bis 1700 nm | 280 nm bis 10,6 µm |
| Einfallswinkel | Einstellbar: +90° bis –90° | Verstellbar: 90° bis 0° |
| Winkelbereich | Vollkugel | 1 Plan von –10° bis +90° |
| Winkelgenauigkeit | < 0.1° | < 0.02° |
| Wiederholbarkeit | < 1% | < 1% |
| Gewicht | 80 kg | 200 kg |
| Vorteile | • Hoher Dynamikumfang | • Sehr hoher Dynamikbereich • Messung bei 0,002° von der Spiegelfläche |
| Gemeinsame Vorteile | • Hohe Präzision • Hohe Wiederholgenauigkeit • Anpassbarer Wellenlängenbereich |
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Kamerabasierte Systeme
Man kann BSDF auch mit einem kamerabasierten System messen, bei dem eine Lichtquelle die Probe beleuchtet und ein Linsensystem das gesamte Streulicht an eine Kamera sendet.
Keysight entwickelt und fertigt das kamerabasierte System Mini-Diff V2, das käuflich erworben werden kann. Das Mini-Diff V2 ist ein tragbares Gerät, das schnell und einfach zu bedienen ist.
Mini-Diff V2 Spezifikationen
| Besonderheit | Keysight Mini-Diff V2 |
|---|---|
| Typ | BRDF/BTDF |
| Dynamischer Bereich | 105 |
| Wellenlängenbereich | 630 nm, 525 nm, 465 nm, 940 nm |
| Einfallswinkel | Fest: 0°, 20°, 40°, 60° |
| Winkelbereich | Kugel [0°; 75°] [0°; 360°] |
| Winkelgenauigkeit | 1° |
| Wiederholbarkeit | < 2% |
| Gewicht | 2 kg |
| Vorteile | • Plug & Play • Einfach zu bedienen und schnell • Tragbar und kompakt • Attraktive Kosten |
Alle diese Instrumente ermöglichen es Ihnen, Messdaten in Simulationssoftware zu exportieren, um sie für die Konstruktion zu verwenden.
Beispiel einer Fahrzeugarmaturenbrettmessung mit dem Keysight REFLET 180S und Design mit LucidShape
Forschungs- und Entwicklungsteams können die Oberflächenbeschaffenheit von Armaturenbrettmaterialien analysieren, um die Korngröße zu bestimmen und herauszufinden, welches Material die geringste Reflexion und die stärkste Streuung aufweist. Ziel ist es, eine möglichst streuende Oberfläche zu erzielen, um die Reflexionen in der Windschutzscheibe zu minimieren und so die Fahrersicherheit zu erhöhen.
Um die Streuung zweier Armaturenbrettoberflächen mit unterschiedlicher Korngröße zu vergleichen, würde man die BRDF für vier Einfallswinkel (AOI = 10°/30°/50°/70°) mit weißem Licht messen.
Abbildung 4. Beispiel einer Dashboard-Messung mit Keysight REFLET 180S.
Beide Oberflächen weisen einen großen Gaußschen Peak mit Streuung auf beiden Seiten und einen Lambertschen Hintergrund auf.
Der Hintergrundpegel ist ähnlich, aber Referenz 1 ist spiegelnder und Referenz 2 diffus; dies zeigt, dass Referenz 2 besser für die Verwendung als Dashboard geeignet ist.
Dank der Möglichkeit, die Messdaten in eine Konstruktionssoftware zu exportieren, können Sie diese Daten verwenden, um eine Simulation in LucidShape durchzuführen, wie in Abbildung 5 gezeigt .
Abbildung 5. LucidShape-Simulation zum Dashboard-Vergleich.
Anhand der Daten in LucidShape können Sie eine Simulation durchführen und zum gleichen Schluss kommen: Referenz 1 ist spiegelnder und Referenz 2 ist diffuser, was bedeutet, dass der Fahrer bei Referenz 2 weniger Blendung wahrnimmt.
Die direkte Messung des BSDF ermöglicht es Designern, das richtige Material oder die richtige Beschichtung auszuwählen, eine präzise Darstellung zu erzielen und die Kosten für die Prototypenerstellung zu reduzieren.
BSDF präzise messen mit Keysight
Wir bieten präzise Lösungen zur Lichtstreuungsmessung für eine schnellere und kostengünstigere Entwicklung optischer Produkte. Erfahren Sie mehr über unsere Messgeräte für optische Streuung und unsere SmartStart-Messdienstleistungen.
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