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体積散乱とは何か？
体積散乱の定義
体積散乱とは、光学媒体（ガラスやプラスチックなど）の内部で、材料の体積内に存在する微小な粒子が光を散乱させる現象です。媒体中の粒子状の欠陥は、微細な気泡、介在物、または汚染によって発生する可能性があります。
これらの発生源からの散乱は、表面の粒子による散乱と性質が似ていますが、洗浄によって除去できない点が異なります。このような光学媒体内の粒子は、通常、前方および後方の両方向に光を散乱させます。散乱光の強度と偏光は、欠陥特性と容易には関連付けられず、表面散乱に見られるような、照射スポットサイズに関連する最小散乱角もありません。
目次
光学設計にとって体積散乱が重要な理由
体積散乱は、画像の鮮明度と視認性に影響を与えるため、光学設計において重要です。これは、正確なシミュレーション結果に不可欠な複数の光散乱測定の1つです。
光学設計において、光の分布は形状のみによって決まるわけではありません。光線のエネルギーと方向がどのように変化するかを決定するのは光学特性です。このため、設計で使用する材料の光学特性を可能な限り正確に把握することが重要です。
正確な特性を得る最善の方法は、材料を直接測定し、そのデータを光学設計ソフトウェアで使用するためにエクスポートすることです。
正確な特性が重要な理由は次のとおりです。
- 光学設計者は、レイ・トレーシング・シミュレーションのために正確な光学特性を必要とします。
- 研究開発 (R&D) 部門は、所与の光学特性を持つ適切な材料を設計する必要があります。
- 製造プロセスにおける品質チェックは、完全に管理されなければなりません。
体積散乱に加えて、その他の重要な測定には以下が含まれます。
- 双方向散乱分布関数 (BSDF) を用いた角度光散乱：従来のBSDFまたは全反射 (TIR) BSDF
- 全内部散乱 (TIS) からの光伝播量：反射率、透過率、吸収率
図1. 体積散乱は、光学媒体 (例：ガラスやプラスチック) 内で発生する現象であり、材料の体積内に存在する小さな粒子が光を散乱させます。
キーサイトが提供する体積散乱測定ソリューションとは？
LightTools ソフトウェアは体積散乱をモデル化できます。これにより、拡散性プラスチック、欠陥 (気泡) のあるガラス板、または粉塵の多い雰囲気などの媒体における光の挙動を解析できます。体積散乱材料を光線が追跡される際、一般的に、各粒子散乱イベントに対して、入射光線ごとに1本の光線が生成されます。材料内の散乱イベントの分布は、散乱粒子の密度に基づいて統計的に計算され、これは通常、材料内で均一であると仮定されます。各散乱イベントからの出射光線の方向は、ゲーゲンバウアーやミーなどの統計的粒子散乱モデルを使用して計算されます。
これらの粒子散乱モデルを使用して、実際の散乱材料で実際の照明システムを設計するには、通常直接測定できない特定のパラメータ値が必要です。キーサイトは、体積散乱材料サンプルの測定されたBSDFデータに基づいて、適切な散乱パラメータ値 (ゲーゲンバウアーおよびミーの両モデル用) を決定する手法を開発しました。
BSDF測定は、キーサイトのREFLET 180Sという特殊な光学ベンチで実行できます。
| 計測器 | REFLET 180S |
|---|---|
| タイプ | BRDF/BTDF |
| ダイナミックレンジ | 109 |
| 波長範囲 | 400 nm～1700 nm |
| 入射角 | 可変: +90°～–90° |
| 角度範囲 | 全方位 |
| 角度精度 | < 0.1° |
| 繰り返し精度 | < 1% |
| 重量 | 80 kg |
体積散乱測定では、同じサンプルについて4つの異なる厚さで2D BTDF (双方向透過散乱分布関数) を測定できます。これら4つのBTDF測定値を使用して、当社が開発したモデルで最適化を実行し、材料をシミュレートするために必要なパラメータを特定します。その後、計算されたデータが測定値と同じシミュレーション結果を提供することを確認します。
最適化により、以下のパラメータが提供されます。
- 平均自由行程 (MFP)：光線がその伝播方向を変える散乱イベントを経験するまでに移動する平均距離を定義します。
- 異方性因子 g およびアルファ：ゲーゲンバウアー位相関数によって定義される角度散乱分布を記述します。各散乱イベントにおいて、伝播における角度変化は、この分布からランダムにサンプリングされます。gの有効範囲は–1から1の間であり、アルファは–0.5より大きい任意の値をとることができます。
- 透過率：各散乱イベントあたりの絶対透過に対応します。透過率が1.0より大きい値はエネルギーを得ます。
これらのパラメータは、LightTools 照明ソフトウェアで直接使用して、シミュレーションに利用できる材料 (.mat) ファイルを作成できます。
光散乱機能を強化する
キーサイト REFLET 180S 光学ベンチは、スポット検査や迅速な分析に使いやすい製品です。このコンパクトな電動3D散乱計を、車載照明設計、光センサー、航空宇宙などのアプリケーションに活用してください。
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