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양방향 산란 분포 함수(BSDF)란 무엇인가요?
양방향 산란 분포 함수(BSDF)의 정의
BSDF는 양방향 산란 분포 함수(Bidirectional Scattering Distribution Function)의 약자로, 빛이 표면에서 어떻게 산란되는지를 나타내는 수학적 함수입니다.
그림 1에 나와 있는 다음 공식으로 수학적으로 정의됩니다. 여기서:
- L은 관찰자 방향의 샘플 표면에서 측정된 휘도입니다.
- E는 광원 방향의 샘플 표면에서 측정된 조도입니다.
- Λ는 파장입니다.
그림 1. BSDF 공식.
그림 2. BSDF, 입력광 및 관찰자 방향을 보여주는 다이어그램.
실제로 이 현상은 일반적으로 반사 및 투과 구성 요소로 분할되며, 그런 다음 각각 BRDF(양방향 반사 분포 함수) 및 BTDF(양방향 투과 분포 함수)로 처리됩니다.
그림 3. 입사광, 정반사, 반사 산란 분포 BRDF, 투과 산란 분포, BTDF, 정투과.
목차
광학 설계에서 BSDF가 중요한 이유는 무엇인가요?
광학 설계 과정에서 정확한 시뮬레이션 결과는 정확한 광학적 특성에 따라 달라집니다. 빛의 분포는 형상만으로는 결정되지 않으며, 광선의 에너지와 방향이 어떻게 변하는지는 광학적 특성에 의해 결정됩니다. 이러한 이유로 사용할 재료의 광학적 특성을 가능한 한 정확하게 아는 것이 중요합니다. 정확한 특성을 얻는 가장 좋은 방법은 재료를 직접 측정하고 해당 데이터를 광학 소프트웨어 도구에서 사용할 수 있도록 내보내는 것입니다.
요구 사항:
- 광학 설계자는 광선 추적 시뮬레이션을 위해 정확한 광학적 특성이 필요합니다.
- 연구 개발(R&D) 엔지니어는 주어진 광학적 특성을 가진 올바른 재료를 설계해야 합니다.
- 제조 공정은 품질 검사를 완벽하게 제어해야 합니다.
솔루션:
- BSDF를 이용한 각도별 광학 산란
- 빛 전파량 TIS (반사율, 투과율, 흡수율)
키사이트는 BSDF 측정을 위해 어떤 솔루션을 제공합니까?
BSDF는 고니오포토미터와 카메라 기반 시스템이라는 두 가지 주요 방식으로 측정할 수 있습니다. 키사이트는 각 방식에 대해 두 가지 솔루션을 제공합니다.
고니오포토미터
고전적인 고니오포토미터를 사용하여 BSDF를 측정할 수 있습니다. 이 방식에서는 고정된 광원이 샘플을 비추고 이동식 검출기가 샘플 주위를 돌면서 산란된 빛을 수집합니다(또는 그 반대로, 이동식 광원과 고정된 검출기를 사용).
키사이트는 아래 그림과 같이 두 가지 고니오포토미터 솔루션을 제공합니다. REFLET 180S(왼쪽)와 High Specular Bench(오른쪽)입니다.
이러한 고해상도, 고다이내믹 모터 구동 산란계 시스템에 대해 당사 연구소에서 측정 서비스를 제공합니다. 키사이트 REFLET 180S는 구매도 가능합니다.
솔루션 사양
| 특징 | 키사이트 REFLET 180S | 키사이트 High Specular Bench |
|---|---|---|
| 유형 | BRDF/BTDF | BRDF/BTDF |
| 동적 범위 | 109 | 1013 |
| 파장 범위 | 400 nm에서 1700 nm | 280 nm ~ 10.6 µm |
| 입사각 | 조정 가능: +90° ~ –90° | 조정 가능: 90° ~ 0° |
| 각도 범위 | 전체 구 | –10° ~ +90°의 1개 평면 |
| 각도 정확도 | < 0.1° | < 0.02° |
| 반복성 | < 1% | < 1% |
| 무게 | 80 kg | 200 kg |
| 장점 | • 높은 동적 범위 | • 매우 높은 동적 범위 • 정반사로부터 0.002°에서 측정 |
| 공통 이점 | • 높은 정밀도 • 높은 반복성 • 맞춤형 파장 범위 |
|
카메라 기반 시스템
카메라 기반 시스템을 사용하여 BSDF를 측정할 수도 있습니다. 이 시스템에서는 광원이 샘플을 비추고 렌즈 시스템이 모든 산란광을 카메라로 보냅니다.
키사이트는 구매 가능한 카메라 기반 시스템 Mini-Diff V2를 개발 및 조립합니다. Mini-Diff V2는 빠르고 사용하기 쉬운 휴대형 장치입니다.
Mini-Diff V2 사양
| 특징 | 키사이트 Mini-Diff V2 |
|---|---|
| 유형 | BRDF/BTDF |
| 동적 범위 | 105 |
| 파장 범위 | 630 nm, 525 nm, 465 nm, 940 nm |
| 입사각 | 고정: 0°, 20°, 40°, 60° |
| 각도 범위 | 구 [0°; 75°] [0°; 360°] |
| 각도 정확도 | 1° |
| 반복성 | < 2% |
| 무게 | 2 kg |
| 장점 | • 플러그 앤 플레이 • 사용 용이성 및 빠른 속도 • 휴대형 및 소형 • 매력적인 비용 |
이 모든 장비는 측정 데이터를 설계에 사용될 시뮬레이션 소프트웨어로 내보낼 수 있도록 합니다.
키사이트 REFLET 180S를 이용한 차량 대시보드 측정 및 LucidShape를 이용한 설계 사례
R&D 팀은 차량 대시보드 재료 표면의 측정값을 사용하여 입자 크기를 평가하고 어느 것이 가장 적게 반사하고 가장 많이 산란하는지 결정할 수 있습니다. 운전자 안전을 위해 앞유리의 반사를 줄이려면 가능한 한 가장 확산성이 높은 표면을 갖는 것이 목표입니다.
서로 다른 입자 크기를 가진 두 대시보드 표면의 산란을 비교하려면 백색광으로 4가지 입사각(AOI = 10°/30°/50°/70°)에 대한 BRDF를 측정해야 합니다.
그림 4. 키사이트 REFLET 180S를 이용한 대시보드 측정 사례.
두 표면 모두 양쪽에 산란이 있는 큰 가우시안 피크와 Lambertian 배경을 가집니다.
배경 수준은 비슷하지만, Reference 1은 더 정반사적이고 Reference 2는 더 확산적입니다. 이는 Reference 2가 대시보드로 사용하기에 더 적합함을 보여줍니다.
측정 데이터를 설계 소프트웨어로 내보낼 수 있는 기능 덕분에 이 데이터를 사용하여 그림 5에 표시된 LucidShape에서 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다.
그림 5. 대시보드 비교를 위한 LucidShape 시뮬레이션.
LucidShape의 데이터를 사용하여 시뮬레이션을 수행하고 동일한 결론을 도출할 수 있습니다. 즉, 참조 1은 더 거울 반사적이고 참조 2는 더 확산적이며, 이는 운전자가 참조 2를 사용할 때 눈부심을 덜 경험하게 됨을 의미합니다.
BSDF를 직접 측정하면 설계자는 올바른 재료 또는 코팅을 선택하고, 정확한 렌더링을 달성하며, 프로토타이핑 비용을 절감할 수 있습니다.
키사이트로 BSDF를 정확하게 측정
키사이트는 더 빠르고 비용 효율적인 광학 제품 개발을 위한 정밀 광산란 데이터 솔루션을 제공합니다. 키사이트의 광산란 측정 장비 및 SmartStart 측정 서비스에 대해 자세히 알아보십시오.
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