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Was ist die bidirektionale Streuverteilung (BSDF) bei Totalreflexion (TIR)?
Definition der bidirektionalen Streuverteilung (BSDF) der Totalreflexion (TIR)
In der optischen Konstruktion entspricht die bidirektionale Streuverteilungsfunktion (BSDF) der Totalreflexion (TIR), auch interne BSDF genannt, der an der Grenzfläche zweier unterschiedlicher Medien gemessenen bidirektionalen Streuverteilungsfunktion. Ziel ist die Messung der Oberflächenstreuung aus dem Inneren eines Materials. Dies ist besonders relevant für Materialien mit rauer Oberfläche, bei denen Oberflächenstreuung und Totalreflexion gleichzeitig an zwei getrennten Medien auftreten. Die Abbildung zeigt ein Beispiel eines Lichtleiters mit VDI-Textur, modelliert in LightTools.
Wie bei jeder BSDF-Messung muss die Lichtrichtung berücksichtigt werden. Die Abbildung zeigt, wie die einzelnen Fälle klassifiziert werden. Eine solche Messung ist besonders hilfreich, wenn das Streuelement nicht als dünner Diffusor betrachtet werden kann. Beispielsweise erfordert ein Lichtleiter mit genarbten Oberflächen eine TIR-BSDF-Messung.
Inhaltsübersicht
Warum ist die Totalreflexion für die optische Konstruktion wichtig?
Neben der klassischen BSDF ist die TIR-BSDF ein unverzichtbares Werkzeug zur Messung der Winkelstreuung optischer Strahlung. Sie ist eine von mehreren Methoden, mit denen sich die optischen Eigenschaften der verwendeten Materialien möglichst präzise bestimmen lassen.
In der optischen Konstruktion hängen präzise Simulationsergebnisse von genauen optischen Eigenschaften ab. Tatsächlich bestimmt nicht die Geometrie allein die Lichtverteilung; vielmehr legen die optischen Eigenschaften fest, wie sich Energie und Richtung der Lichtstrahlen verändern. Die präzisen Kennwerte lassen sich am besten durch direkte Materialmessung und anschließende Datenexportierung in eine optische Software ermitteln.
Genaue Messungen kommen dem gesamten Konstruktionsprozess zugute:
- Optische Designer benötigen genaue optische Eigenschaften für Strahlverfolgungssimulationen.
- Die Forschungs- und Entwicklungsingenieure müssen das richtige Material mit den vorgegebenen optischen Eigenschaften entwickeln.
- Das Qualitätssicherungspersonal muss die Qualitätskontrolle im Herstellungsprozess perfekt kontrollieren.
Welche Lösung bietet Keysight zur Messung der Totalreflexion an?
Die Totalreflexionsmessung (TIR) zählt zu den komplexesten Streumessungen. Keysight bietet zwei Lösungen zur TIR-Messung an: den Keysight REFLET 180S und den Keysight Mini-Diff V2 .
Keysight REFLET 180S
Dies erfordert einen speziellen Messaufbau, bei dem die polierte Oberfläche keinen Einfluss auf die BSDF-Ergebnisse (Fresnel-Verluste und Streuung) hat. Die Keysight-Methode verwendet eine halbkugelförmige Linse, die an der polierten Oberfläche befestigt ist und deren Brechungsindex dem der Probe möglichst nahe kommt.
Diese Halbkugel eliminiert die Brechung des ein- und austretenden Lichts an der nicht zu messenden Oberfläche. Das Keysight-Verfahren verwendet zudem eine Brechungsindex-angepasste Flüssigkeit, um einen optischen Kontakt herzustellen und so die Fresnel-Reflexion an der Grenzfläche zu eliminieren.
Anschließend können Sie mit dem Keysight REFLET 180S eine Standard-BRDF- oder BTDF-Messung durchführen.
Zur vollständigen Charakterisierung einer Probe benötigen Sie vier verschiedene Messkonfigurationen.
Diese Abbildung zeigt Ergebnisse, die mit dem Keysight REFLET 180S für eine VDI-Oberfläche erzielt wurden.
Mini-Diff V2
Sie können auch TIR-Messungen mit einem Keysight Mini-Diff V2-Instrument in Kombination mit LightTools und dessen Microfacet-Streumodell durchführen.
Die Lösung kombiniert das LightTools-Mikrofacetten-Streumodell mit einer BTDF-Messung, die mit dem Mini-Diff V2 durchgeführt wurde: die Front-BTDF bei einem Einfallswinkel von 0° und einer bestimmten Wellenlänge. Dieser Aufbau bietet den Vorteil, dass an der nicht gemessenen Oberfläche keine Brechung auftritt.
Nach der Formatierung der Mini-Diff V2-Messergebnisse in Excel können Sie die Daten in LightTools für das Microfacet-Modell importieren.
Das Mikrofacetten-Streumodell erzeugt eine virtuelle Oberflächenstruktur mit kleinen Facetten. Die Neigung dieser Facetten ist so eingestellt, dass die austretenden Strahlen bei einem bestimmten Einfallswinkel einer bestimmten Verteilung entsprechen. Für alle anderen Einfallswinkel berechnet das Modell die Verteilung entsprechend der Mikrofacetten-Geometrie. Diese Geometrie kann dann für alle weiteren Simulationen verwendet werden.
Die nachfolgende Vergleichstabelle bestätigt diese Methode, wobei die Simulationsergebnisse sehr genau mit den entsprechenden Messergebnissen übereinstimmen.
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