Was ist Lichtstreuung?

Definition der Lichtstreuung

Lichtstreuung beschreibt das Verhalten von Licht an einem Medium mit Partikeln oder an einer Grenzfläche zwischen verschiedenen Medien mit Defekten oder Strukturen. Sie unterscheidet sich von der Brechung, bei der sich der Brechungsindex des Lichts beim Übergang von einem Medium in ein anderes ändert, und der Reflexion, bei der das Licht in dasselbe Medium zurückgeworfen wird. Beide Phänomene unterliegen dem Snelliusschen Brechungsgesetz.

Faktoren wie die Beschaffenheit, Textur oder spezifische Strukturen einer Oberfläche sowie das Vorhandensein von Gas-, Flüssigkeits- oder Feststoffpartikeln, durch die sich Licht ausbreitet, können Lichtstreuung verursachen. Auch die Eigenschaften des Lichts selbst – seine Wellenlängen und Polarisationszustände – können Lichtstreuung hervorrufen. Dies führt üblicherweise zu diffusem Licht und kann auch die Farbwiedergabe beeinflussen.

Was verursacht Lichtstreuung?

Oberflächenstreuung tritt auf, wenn Oberflächenunebenheiten und raue Strukturen im Mikro- und Nanobereich das Verhalten von Licht verändern. Je nach Größe können Unebenheiten, Löcher und andere geometrische Merkmale auf einer Oberfläche geometrische Streuung verursachen, da Licht reflektiert, gebrochen, polarisiert oder gebeugt wird, wenn die Strukturen kleiner als das Zehnfache der Wellenlänge des einfallenden Lichts sind. Beschichtungen wie Farben, Lacke und andere Ablagerungen wie Verunreinigungen können das Verhalten von Licht ebenfalls verändern, selbst wenn sie sehr dünn oder nur spärlich verteilt sind.

Volumenstreuung tritt auf, wenn Licht ein Material durchdringt, das Partikel enthält, die Licht streuen, weil sie reflektierend oder brechend sind. Die Partikel können aktiv oder passiv sein, Licht mit niedrigeren Energieniveaus absorbieren oder in einer bestimmten Winkelverteilung innerhalb des Materials wieder abgeben, und sie variieren in Größe und Konzentration innerhalb des Mediums.

Warum stellt Lichtstreuung ein Problem im optischen Design dar?

Während Lichtstreuung in vielen Beleuchtungsanwendungen von Vorteil ist, kann sie in der Bildgebung problematisch sein. Oberflächen können Licht so streuen, dass zusätzliche Lichtwege zurück in das optische System entstehen. Dies führt zu visuellen Artefakten, sogenannten Geisterbildern, im endgültigen Bild. Auch mechanische Gehäuse können unerwünschte Streuung innerhalb des Systems verursachen. Anwendungen zur Strahlverfolgung, die Streuprozesse erfassen, können diese unerwünschte Streuung berücksichtigen.

Was ist ein praktisches Beispiel für eine optische Konstruktion, die auf der Minimierung der Lichtstreuung beruhte?

Kamerasysteme aller Art sind auf ein optisches Design angewiesen, um ein hervorragendes, klares Bild zu erzeugen und Geisterbilder zu vermeiden. Je komplexer das Objektiv, desto wichtiger ist es, Streulicht zu berücksichtigen und zu eliminieren.

Nachdem ein optisches System in einer Bildverarbeitungssoftware erstellt wurde, kann der Entwickler dieses Design in einem Beleuchtungsdesign-Tool analysieren, um die möglichen Lichtwege zum Bild zu identifizieren und deren Einfluss auf die Bildqualität zu quantifizieren. Um die zusätzlichen Lichtwege zu eliminieren, ohne die Gesamtleistung des Systems zu beeinträchtigen, sind möglicherweise Änderungen am Hauptdesign erforderlich. Deutliche Verbesserungen und eine höhere Bildqualität lassen sich aber auch durch geringfügige Modifikationen der bereits integrierten Blendenstrukturen erzielen.

Was benötigt man zur Analyse und Minimierung der Lichtstreuung?

Bei der Verwendung von Strukturen wie Blenden zur Minimierung von Geisterbildern kann die Strahlverfolgung des Systems zur Streulichtanalyse helfen, visuelle Artefakte im Design zu beseitigen. Hierfür kann Beleuchtungsdesign-Software mit Strahlweganalyse eingesetzt werden. Diese verfolgt jeden möglichen Lichtweg im Bildgebungssystem und berücksichtigt dabei alle Strukturen, einschließlich des Gehäuses. Die Software analysiert die Leistung der entstehenden Geisterbilder, lokalisiert deren Ursprung und ermöglicht es Designern, die störenden Oberflächen zu entfernen oder Strukturen zu erstellen, die denselben Effekt erzielen – entweder manuell oder mithilfe von Optimierungstechniken.

Wie misst man Lichtstreuung?

Die Lichtstreuung lässt sich mit einem Streulichtmessgerät messen. Dieses erfasst 2D- oder 3D-Messungen von einer oder mehreren Lichtquellen, die auf eine Oberfläche oder in ein Medium emittieren, und zeichnet die Winkelverteilung des reflektierten und/oder transmittierten Lichts (Intensität) auf. Die Ergebnisse können auf verschiedene Weise aufgezeichnet werden. Eine gängige Methode ist die Aufzeichnung des reflektierten Lichts als bidirektionale Reflexionsverteilungsfunktion (BRDF) und des transmittierten Lichts als bidirektionale Transmissionsverteilungsfunktion (BTDF). Zusammen ergeben diese beiden Funktionen die bidirektionale Streuverteilungsfunktion (BSDF) .

Je nach Messmethode können Sie mit dieser Funktion die Lichtstreuung einer Oberfläche, eines Mediums oder beider zusammen bestimmen. Abhängig von der Art der Probe lässt sich außerdem ermitteln, welcher der beiden Faktoren den größten Beitrag zum Streueffekt leistet. Nach Abschluss der Messungen können Sie eine mathematische Anpassung an das Streuprofil des Materials oder der Oberfläche vornehmen, die Sie in Simulationen verwenden können.

Wie simuliert man Lichtstreuung?

Die Simulationssoftware LightTools und LucidShape von Keysight ermöglichen die Verwendung von Lichtstreuungsmessdateien sowie die Modellierung von Streueffekten. Je nach Art des Streueffekts lässt sich die Lichtverteilung bei Oberflächenstreuung mithilfe mathematischer Modelle wie Harvey-Shack, ABg, Gauß, Lambert und interpolierter Winkelverteilung modellieren. Volumenstreuende Partikel können mit der Mie-Theorie, Henyey-Greenstein oder Gegenbauer-Methoden sowie weiteren mathematischen Modellen modelliert werden. Auch Gradientenmaterialien können einen scheinbaren Streueffekt hervorrufen, selbst wenn dieser auf einer progressiven Änderung des Brechungsindex im Material beruht, je nachdem, wo sich das Material ändert.

In Kombination mit Optimierungsfunktionen und fortschrittlichen Features wie Strahlpfaden, Empfängerfilterung und Funktionen des Moduls Advanced Physik“ kann LightTools Lichtstreuungseffekte präzise simulieren und so die Streulichtanalyse optimieren, bei der die Untersuchung der Streuung von entscheidender Bedeutung ist. Mit LucidShape lassen sich Lichtstreuungsdaten nutzen, um stilvolle Fahrzeugbeleuchtungssysteme zu entwickeln, die gleichzeitig höchste Genauigkeit und Funktionalität bieten und strenge Vorschriften erfüllen.