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Qu'est-ce que la fonction de distribution de diffusion bidirectionnelle (BSDF) ?
Définition de la fonction de distribution de diffusion bidirectionnelle (BSDF)
BSDF signifie « fonction de distribution de diffusion bidirectionnelle » ; il s'agit d'une fonction mathématique qui caractérise la manière dont la lumière est diffusée par une surface.
Elle est définie mathématiquement par la formule suivante, illustrée à la figure 1, où :
- L est la luminance à la surface de l'échantillon dans la direction de l'observateur
- E est l'éclairement à la surface de l'échantillon provenant de la direction de la source
- Λ est la longueur d'onde
Figure 1. Formule du BSDF.
Figure 2. Schéma illustrant la BSDF, la lumière d'entrée et la direction de l'observateur.
Dans la pratique, ce phénomène est généralement décomposé en composantes réfléchies et transmises, qui sont ensuite traitées séparément sous la forme d'une BRDF (fonction de distribution de réflectance bidirectionnelle) et d'une BTDF (fonction de distribution de transmittance bidirectionnelle).
Figure 3. Lumière incidente, réflexion spéculaire, distribution de diffusion réfléchie (BRDF), distribution de diffusion transmise (BTDF), transmission spéculaire.
Table des matières
Pourquoi le BSDF est-il important dans la conception optique ?
Lors d'un processus de conception optique, la précision des résultats de simulation repose sur l'exactitude des propriétés optiques. La géométrie ne détermine pas à elle seule la répartition de la lumière ; ce sont les propriétés optiques qui déterminent comment l'énergie et la direction des rayons évoluent. C'est pourquoi il est important de connaître aussi précisément que possible les caractéristiques optiques des matériaux que vous utiliserez. La meilleure façon d'obtenir des caractéristiques précises consiste à mesurer directement le matériau et à exporter les données pour les utiliser dans un logiciel d'optique.
Conditions requises :
- Les concepteurs optiques ont besoin de propriétés optiques précises pour leurs simulations de traçage de rayons
- Les ingénieurs en recherche et développement (R&D) doivent concevoir le matériau adéquat présentant les propriétés optiques requises
- Le processus de fabrication doit permettre un contrôle parfait de la qualité
Solutions :
- Diffusion optique angulaire avec BSDF
- Indice de propagation de la lumière TIS (rapport entre la réflectance, la transmittance et l'absorbance)
Quelles solutions Keysight propose-t-elle pour mesurer la BSDF ?
Il existe deux méthodes principales pour mesurer la BSDF : les goniophotomètres et les systèmes basés sur une caméra. Keysight propose deux solutions pour chacune de ces méthodes.
Goniophotomètres
On peut mesurer la BSDF à l'aide d'un goniophotomètre classique, dans lequel une source lumineuse fixe éclaire un échantillon tandis qu'un détecteur mobile tourne autour de celui-ci pour capter la lumière diffusée (ou inversement : avec une source lumineuse mobile et un détecteur fixe).
Keysight propose deux goniophotomètres, illustrés ci-dessous : le REFLET 180S (à gauche) et le High Specular Bench (à droite).
Pour ces systèmes de diffusiomètres motorisés à haute résolution et à large plage dynamique, nous proposons des services de mesure dans notre laboratoire. Le Keysight REFLET 180S est également disponible à la vente.
Spécifications de la solution
| Fonctionnalité | Keysight REFLET 180S | Banc d'essai à haute réflectivité Keysight |
|---|---|---|
| Type | BRDF/BTDF | BRDF/BTDF |
| Plage dynamique | 109 | 1013 |
| Gamme de longueurs d'onde | 400 nm à 1700 nm | de 280 nm à 10,6 µm |
| Angles d'incidence | Réglable : de +90° à –90° | Réglable : de 90° à 0° |
| Plage angulaire | Sphère complète | 1 Réglage de –10° à +90° |
| Précision angulaire | < 0.1° | < 0.02° |
| Répétabilité | < 1% | < 1% |
| Poids | 80 kg | 200 kg |
| Avantages | • Plage dynamique élevée | • Plage dynamique très élevée • Mesure à 0,002° de la surface spéculaire |
| Avantages partagés | • Haute précision • Grande répétabilité • Plage de longueurs d'onde personnalisable |
|
Systèmes à caméra
Vous pouvez également mesurer la BSDF à l'aide d'un système basé sur une caméra, dans lequel une source éclaire l'échantillon et un système de lentilles dirige toute la lumière diffusée vers une caméra.
Keysight développe et assemble le système Mini-Diff V2, basé sur une caméra, qui est disponible à la vente. Le Mini-Diff V2 est un appareil portable, rapide et facile à utiliser.
Caractéristiques techniques du Mini-Diff V2
| Fonctionnalité | Mini-Diff V2 de Keysight |
|---|---|
| Type | BRDF/BTDF |
| Plage dynamique | 105 |
| Gamme de longueurs d'onde | 630 nm, 525 nm, 465 nm, 940 nm |
| Angles d'incidence | Angles fixes : 0°, 20°, 40°, 60° |
| Plage angulaire | Sphère [0° ; 75°] [0° ; 360°] |
| Précision angulaire | 1° |
| Répétabilité | < 2% |
| Poids | 2 kg |
| Avantages | • Plug & Play • Facile à utiliser et rapide • Portable et compact • Prix attractif |
Tous ces instruments vous permettent d'exporter des données de mesure vers un logiciel de simulation afin de les utiliser pour la conception.
Exemple de mesure sur le tableau de bord d'un véhicule à l'aide du REFLET 180S de Keysight et de conception avec LucidShape
Les équipes de R&D peuvent utiliser les mesures d'une surface destinée au tableau de bord d'un véhicule pour évaluer la taille des grains et déterminer lesquels réfléchissent le moins et diffusent le plus. L'objectif est d'obtenir une surface aussi diffusante que possible afin de réduire les reflets sur le pare-brise, pour la sécurité du conducteur.
Pour comparer la diffusion de deux surfaces de tableau de bord présentant des granulométries différentes, il faudrait mesurer la BRDF pour quatre angles d'incidence (AOI = 10°/30°/50°/70°) à l'aide d'une lumière blanche.
Figure 4. Exemple de mesure sur un tableau de bord avec le REFLET 180S de Keysight.
Les deux surfaces présentent un large pic gaussien avec une diffusion de part et d'autre et un fond lambertien.
Le niveau de l'arrière-plan est similaire, mais la référence 1 présente un aspect plus spéculaire tandis que la référence 2 est plus diffuse ; cela montre que la référence 2 est plus adaptée à une utilisation comme tableau de bord.
Grâce à la possibilité d'exporter les données de mesure vers un logiciel de conception, vous pouvez utiliser ces données pour effectuer une simulation dans LucidShape, comme le montre la figure 5.
Figure 5. Simulation LucidShape pour la comparaison des tableaux de bord.
En utilisant les données de LucidShape, vous pouvez effectuer une simulation et tirer la même conclusion : la référence 1 présente un effet plus spéculaire, tandis que la référence 2 est plus diffuse, ce qui signifie que le conducteur sera moins ébloui avec la référence 2.
La mesure directe de la BSDF permet aux concepteurs de choisir le matériau ou le revêtement approprié, d'obtenir un rendu fidèle et de réduire les coûts de prototypage.
Mesurer avec précision le BSDF grâce à Keysight
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