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Was ist Volumenstreuung?
Definition der Volumenstreuung
Volumenstreuung ist ein Phänomen, das in optischen Medien (z. B. Glas oder Kunststoff) auftritt. Dabei führt das Vorhandensein kleiner Partikel im Materialvolumen zur Streuung von Licht. Partikelfehler im Medium können durch kleine Bläschen, Einschlüsse oder Verunreinigungen entstehen.
Die Streuung dieser Quellen ähnelt der von Oberflächenpartikeln, lässt sich jedoch durch Reinigung nicht beseitigen. Die Partikel in einem solchen optischen Medium streuen Licht im Allgemeinen sowohl vorwärts als auch rückwärts. Die Streuintensität und -polarisation lassen sich nicht ohne Weiteres mit Defekteigenschaften in Verbindung bringen, und es gibt keinen minimalen Streuwinkel in Abhängigkeit von der Größe des beleuchteten Flecks, wie er bei Oberflächenstreuung auftritt.
Inhaltsübersicht
Warum ist die Volumenstreuung für die optische Konstruktion wichtig?
Die Volumenstreuung ist für die optische Konstruktion wichtig, da sie die Bildschärfe und Sichtbarkeit beeinflusst. Sie ist eine von mehreren Lichtstreuungsmessungen, die für genaue Simulationsergebnisse unerlässlich sind.
Bei der optischen Konstruktion bestimmt nicht allein die Geometrie die Lichtverteilung; vielmehr sind es die optischen Eigenschaften, die festlegen, wie sich Energie und Richtung der Lichtstrahlen verändern. Daher ist es wichtig, die optischen Eigenschaften der verwendeten Materialien so genau wie möglich zu kennen.
Die beste Methode, um präzise Eigenschaften zu erhalten, besteht darin, das Material direkt zu messen und die Daten zur Verwendung in optischer Designsoftware zu exportieren.
Genaue Charakterisierungen sind wichtig, weil:
- Optische Designer benötigen genaue optische Eigenschaften für Strahlverfolgungssimulationen .
- Die Forschungs- und Entwicklungsabteilungen (F&E) müssen das richtige Material mit den vorgegebenen optischen Eigenschaften entwickeln.
- Die Qualitätskontrolle im Herstellungsprozess muss perfekt kontrolliert werden.
Neben der Volumenstreuung gehören folgende Messungen zu den wichtigsten:
- Winkelstreuung mit bidirektionaler Streuverteilungsfunktion (BSDF): klassische BSDF oder Totalreflexions-BSDF (TIR-BSDF)
- Lichtausbreitungsmenge aufgrund der gesamten internen Streuung (TIS) : Reflexionsgrad, Transmissionsgrad, Absorptionsverhältnis
Abbildung 1. Volumenstreuung ist ein Phänomen, das in einem optischen Medium (z. B. Glas oder Kunststoff) auftritt, bei dem die Anwesenheit kleiner Partikel innerhalb des Volumens des Materials eine Streuung des Lichts verursacht.
Welche Lösung bietet Keysight zur Messung der Volumenstreuung an?
Die Software LightTools kann die Volumenstreuung modellieren. Sie ermöglicht es dem Benutzer, das Verhalten von Licht in Medien wie streuenden Kunststoffen, einer Glasplatte mit Einschlüssen (Blasen) oder einer staubigen Atmosphäre zu analysieren. Bei der Verfolgung von Lichtstrahlen durch ein volumenstreuendes Material wird im Allgemeinen für jedes Streuereignis an einem Partikel ein neuer Strahl erzeugt. Die Verteilung der Streuereignisse innerhalb des Materials wird statistisch auf Basis der Dichte der streuenden Partikel berechnet, die im Allgemeinen als gleichmäßig im Material angenommen wird. Die Richtung des von jedem Streuereignis ausgehenden Strahls wird mithilfe eines statistischen Partikelstreumodells, wie beispielsweise dem Gegenbauer- oder dem Mie-Modell, berechnet.
Um diese Partikelstreumodelle zur Entwicklung realer Beleuchtungssysteme mit realen Streumaterialien zu nutzen, werden spezifische Parameterwerte benötigt, die sich üblicherweise nicht direkt messen lassen. Keysight hat ein Verfahren entwickelt, das geeignete Streuparameterwerte (sowohl für das Gegenbauer- als auch für das Mie-Modell) auf Basis gemessener BSDF-Daten von volumetrischen Streumaterialproben bestimmt.
BSDF-Messungen können Sie mit einer speziellen optischen Bank durchführen: der Keysight REFLET 180S .
| Instrumente | REFLET 180S |
|---|---|
| Typ | BRDF/BTDF |
| Dynamischer Bereich | 109 |
| Wellenlängenbereich | 400 nm bis 1700 nm |
| Einfallswinkel | Einstellbar: +90° bis –90° |
| Winkelbereich | Vollkugel |
| Winkelgenauigkeit | < 0.1° |
| Wiederholbarkeit | < 1% |
| Gewicht | 80 kg |
Für Volumenstreuungsmessungen kann die zweidimensionale bidirektionale Transmissionsverteilungsfunktion (BTDF) derselben Probe in vier verschiedenen Dicken gemessen werden. Mithilfe dieser vier BTDF-Messungen optimieren wir das von uns entwickelte Modell, um die zur Simulation des Materials benötigten Parameter zu ermitteln. Anschließend überprüfen wir, ob die berechneten Daten mit den Messergebnissen der Simulation übereinstimmen.
Die Optimierung liefert die folgenden Parameter:
- Mittlere freie Weglänge (MFP), die die durchschnittliche Entfernung definiert, die ein Strahl zurücklegt, bevor er auf ein Streuereignis stößt, das seine Ausbreitungsrichtung ändert.
- Die Anisotropiefaktoren g und α beschreiben die Winkelstreuverteilung gemäß der Gegenbauer-Phasenfunktion. Bei jedem Streuereignis wird die Winkeländerung der Ausbreitung zufällig aus dieser Verteilung entnommen. Der gültige Wertebereich für g liegt zwischen –1 und 1, während α jeden Wert größer als –0,5 annehmen kann.
- Die Transmittivität entspricht der absoluten Transmission pro Streuprozess. Transmittivitätswerte über 1,0 führen zu einer Energieaufnahme.
Sie können diese Parameter direkt in der Beleuchtungssoftware LightTools verwenden, um eine Materialdatei (.mat) zu erstellen, die Sie dann für Simulationen nutzen können.
Verbessern Sie Ihre Lichtstreuungsfähigkeiten
Die optische Bank Keysight REFLET 180S ist einfach zu bedienen und eignet sich für Stichprobenprüfungen und schnelle Analysen. Nutzen Sie dieses kompakte, motorisierte 3D-Streulichtmessgerät für Anwendungen wie die Fahrzeugbeleuchtungsentwicklung, optische Sensoren, Luft- und Raumfahrt und vieles mehr.
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