什麼是雙向散射分佈函數 (BSDF)？
雙向散射分佈函數 (BSDF) 的定義
BSDF 代表「雙向散射分布函數」，這是一種用以描述光線從表面散射方式的數學函數。
其數學定義如圖 1 所示，公式如下：
- L 為觀察者方向上樣本表面的亮度
- E 為光源方向上樣本表面的照度
- Λ 為波長
圖 1. BSDF 公式。
圖 2. 顯示 BSDF、輸入光和觀察者方向的示意圖。
在實際應用中，此現象通常會分為反射和透射分量，然後分別視為 BRDF（雙向反射分佈函數）和 BTDF（雙向透射分佈函數）進行處理。
圖 3. 入射光、鏡面反射、反射散射分佈 BRDF、透射散射分佈、BTDF、鏡面透射。
目錄
為何 BSDF 對於光學設計至關重要？
在光學設計過程中，精確的模擬結果取決於精確的光學特性。單純的幾何形狀無法決定光的分布，而是光學特性決定了光線的能量和方向如何變化。因此，盡可能精確地了解您將使用的材料的光學特性至關重要。獲取精確特性的最佳方法是直接量測材料，並將數據匯出以用於光學軟體工具中。
需求：
- 光學設計人員需要精確的光學特性用於光線追蹤模擬
- 研發 (R&D) 工程師需要設計出合適的材料並具備指定的光學特性
- 製造過程必須完美地控制品質檢查
解決方案：
- 使用 BSDF 進行角度光學散射量測
- 光傳播量 TIS (反射率、透射率、吸收率)
Keysight 提供哪些用於量測 BSDF 的解決方案？
您可透過兩種主要方式量測 BSDF：測角光度計和基於攝影機的系統。Keysight 為每種方法提供兩種解決方案。
測角光度計
您可以使用傳統測角光度計量測 BSDF，其中靜態光源照射樣本，移動式偵測器圍繞樣本轉動以收集散射光 (或反之 — 使用移動式光源和靜態偵測器)。
Keysight 提供以下所示的兩種測角光度計解決方案：REFLET 180S (左) 和高鏡面反射工作台 (右)。
對於這些高解析度、高動態電動散射計系統，我們在實驗室中提供量測服務。Keysight REFLET 180S 也可供購買。
解決方案規格
| 功能 | Keysight REFLET 180S | Keysight 高鏡面反射工作台 |
|---|---|---|
| 類型 | BRDF/BTDF | BRDF/BTDF |
| 動態範圍 | 109 | 1013 |
| 波長範圍 | 400 nm 至 1700 nm | 280 nm to 10.6 µm |
| 入射角 | 可調：+90° 至 –90° | 可調：90° 至 0° |
| 角度範圍 | 全方位 | 單一平面：從 –10° 至 +90° |
| 角度準確度 | < 0.1° | < 0.02° |
| 重複性 | < 1% | < 1% |
| 重量 | 80 kg | 200 kg |
| 優點 | • 高動態範圍 | • 極高動態範圍 • 在鏡面反射 0.002° 處進行量測 |
| 共同優勢 | • 高精密度 • 高重複性 • 可自訂波長範圍 |
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攝影機式系統
您也可以使用攝影機式系統量測 BSDF，其中光源會照射樣本，而透鏡系統會將所有散射光傳送至攝影機。
Keysight 開發並組裝了攝影機式系統 Mini-Diff V2，此系統現已開放購買。Mini-Diff V2 是一款快速且易於使用的可攜式裝置。
Mini-Diff V2 規格
| 功能 | Keysight Mini-Diff V2 |
|---|---|
| 類型 | BRDF/BTDF |
| 動態範圍 | 105 |
| 波長範圍 | 630 nm、525 nm、465 nm、940 nm |
| 入射角 | 固定：0°、20°、40°、60° |
| 角度範圍 | 球體 [0°；75°] [0°；360°] |
| 角度準確度 | 1° |
| 重複性 | < 2% |
| 重量 | 2 kg |
| 優點 | • 隨插即用 • 易於使用且快速 • 可攜式且精巧 • 具吸引力的成本 |
所有這些儀器都可讓您將量測資料匯出到模擬軟體中，以用於設計。
使用 Keysight REFLET 180S 量測車輛儀表板並使用 LucidShape 進行設計的範例
研發團隊可使用車輛儀表板材料的表面量測結果，來評估晶粒尺寸，並判斷哪種材料的反射最少、散射最多。目標是盡可能擁有最大的漫射表面，以減少擋風玻璃的反射，進而提高駕駛安全。
若要比較兩種不同晶粒尺寸的儀表板表面的散射情況，您需要使用白光量測四個入射角（AOI = 10°/30°/50°/70°）的 BRDF。
圖 4. 使用 Keysight REFLET 180S 量測儀表板的範例。
這兩個表面都有一個大的高斯峰，兩側都有散射，並具有朗伯背景。
背景的水平相似，但參考 1 更具鏡面反射性，參考 2 更具漫射性；這表明參考 2 更適合用作儀表板。
由於能夠將量測資料匯出到設計軟體，您可以使用這些資料在 LucidShape 中執行模擬，如圖 5 所示。
圖 5. 用於儀表板比較的 LucidShape 模擬。
使用 LucidShape 中的資料，您可以執行模擬並得出相同的結論：參考 1 更具鏡面反射性，參考 2 更具漫射性，這表示駕駛員使用參考 2 時眩光會減少。
直接量測 BSDF 可讓設計人員選擇正確的材料或塗層，實現精確的渲染，並降低原型製作成本。
使用 Keysight 精確量測 BSDF
我們提供精密的散射光資料解決方案，以實現更快、更具成本效益的光學產品開發。深入瞭解我們的光學散射量測設備和 SmartStart 量測服務。
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