一文讀懂“雙向散射分布函數(shù)”：為什么研究材料表面特性如此重要？

你是否曾經(jīng)思考過(guò)，為什么當(dāng)陽(yáng)光灑在汽車(chē)表面時(shí)，反射的光線(xiàn)會(huì)閃耀而不刺眼？或者為什么粉底液使皮膚在相同光線(xiàn)情況下呈現(xiàn)出不同的效果，有的啞光均勻，有的光澤感強(qiáng)？這是因?yàn)槠?chē)表面經(jīng)過(guò)特殊處理和粉底液成分質(zhì)地不同，在表面產(chǎn)生了優(yōu)化和不同效果。這些現(xiàn)象背后都可以使用一個(gè)科學(xué)概念──雙向散射分布函數(shù)（BSDF）來(lái)進(jìn)行解釋和描述。通過(guò)測(cè)量散射數(shù)據(jù)，我們可以更深入地了解材料如何影響光線(xiàn)的散射，并進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)以提升視覺(jué)體驗(yàn)。

什么是雙向散射分布函數(shù)（BSDF）

BSDF(Bidirectional Scattering Distribution Function)是雙向散射分布函數(shù)的縮寫(xiě)，它是一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)，用于描述光線(xiàn)從表面散射的情況。其數(shù)學(xué)定義如下公式所示：

其中：

L是觀(guān)察方向上樣品表面的亮度

E是光源方向上樣品表面的照度

Λ是波長(zhǎng)

其數(shù)學(xué)定義如下公式所示：

在實(shí)際應(yīng)用中，這一現(xiàn)象通常被分解為反射和透射兩個(gè)成分，隨后分別作為BRDF（雙向反射分布函數(shù)）和BTDF（雙向透射分布函數(shù)）進(jìn)行處理。

為什么BSDF在光學(xué)設(shè)計(jì)中如此重要？

在光學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中，準(zhǔn)確的仿真結(jié)果取決于精確的光學(xué)特性。在實(shí)際中，僅靠幾何形狀無(wú)法確定光線(xiàn)分布從，決定光線(xiàn)能量和方向變化的是光學(xué)特性。因此，了解材料的光學(xué)特性至關(guān)重要。通過(guò)將測(cè)量材料所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入到光學(xué)軟件工具中，是獲取精確特性最佳方法。

需求：

光學(xué)開(kāi)發(fā)者需要用于光線(xiàn)追跡仿真的準(zhǔn)確光學(xué)屬性

研發(fā)工程師需要設(shè)計(jì)具有給定光學(xué)屬性的合適材料

生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量檢查必須嚴(yán)格控制

解決方案：

基于雙向散射分布函數(shù)（BSDF）的角向光學(xué)散射

光傳播TIS量（反射率、透射率、吸收率比）

新思科技BSDF測(cè)量解決方案

測(cè)量BSDF有兩種主要方法：測(cè)角儀式系統(tǒng)和相機(jī)式系統(tǒng)。新思科技提供了這兩種方法的解決方案。

測(cè)角儀式系統(tǒng)

您可以使用傳統(tǒng)的測(cè)角儀式系統(tǒng)來(lái)測(cè)量BSDF，其中一個(gè)固定光源照射樣品，而移動(dòng)探測(cè)器則繞著樣品旋轉(zhuǎn)以收集散射光（或者相反，使用動(dòng)態(tài)光源和靜態(tài)探測(cè)器）。新思科技提供了兩種測(cè)角光度計(jì)解決方案：Synopsys REFLET 180S和高光反射工作臺(tái)。

針對(duì)這些高分辨率、高動(dòng)態(tài)的電動(dòng)散射儀系統(tǒng)，我們將提供實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的測(cè)量服務(wù)，同時(shí)Synopsys REFLET 180S也可供購(gòu)買(mǎi)。

相機(jī)式系統(tǒng)

您還可以使用基于相機(jī)的系統(tǒng)來(lái)測(cè)量BSDF，其中光源照射樣品，通過(guò)攝像頭系統(tǒng)將所有散射光傳送到相機(jī)。

新思科技所推出了兩款基于相機(jī)的系統(tǒng)：Synopsys Mini-Diff V2和Synopsys Mini-Diff VPro，兩種系統(tǒng)均可購(gòu)買(mǎi)。Synopsys Mini-Diff VPro（左圖）提供配套的“暗室”和溫度控制。Mini-Diff V2（右圖）是一種便攜式設(shè)備，操作簡(jiǎn)便且速度快。

所有這些設(shè)備都支持將測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)出到仿真軟件中，以用于設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)案例分享：使用新思科技 REFLET 180S測(cè)量汽車(chē)儀表盤(pán)并使用LucidShape設(shè)計(jì)

在汽車(chē)制造領(lǐng)域，車(chē)輛儀表盤(pán)材料的表面測(cè)量數(shù)據(jù)在研發(fā)過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用?？筛鶕?jù)測(cè)量結(jié)果評(píng)估表面粗糙度、顆粒大小分布來(lái)確定哪種材料的反射性能最弱，散射性能最強(qiáng)。旨在實(shí)現(xiàn)最大程度的光散射表面，以減少風(fēng)擋玻璃對(duì)駕駛員的反光影響，提高安全性。

為了比較兩種不同顆粒度儀表盤(pán)表面的散射特性，我們使用白光在四個(gè)入射角度（AOI=10°/30°/50°/70°）下進(jìn)行了雙向反射分布函數(shù)（BRDF）測(cè)量。

這兩個(gè)表面都呈現(xiàn)出較大的高斯峰值散射，同時(shí)具有朗伯背景。

Reference 1和Reference 2的背景水平相似，但是Reference 1更具有鏡面反射特性，而Reference 2更具有漫反射特性；這表明Reference 2更適合用做儀表盤(pán)。

由于測(cè)量數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出到設(shè)計(jì)軟件，因此您可以在LucidShape中利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。

通過(guò)將數(shù)據(jù)導(dǎo)入LucidShape并進(jìn)行仿真可得出相同結(jié)論：Reference 1更具鏡面反射性，而Reference 2更具漫反射性，這意味著司機(jī)在使用Reference 2時(shí)會(huì)感受到更少眩光。

因此測(cè)量BSDF使開(kāi)發(fā)者能夠選擇合適的材料或涂層，實(shí)現(xiàn)精確渲染，并降低原型制作成本。

光學(xué)散射測(cè)量及設(shè)備：專(zhuān)為光學(xué)產(chǎn)品研發(fā)提供高速低成本的精確光散射數(shù)據(jù)。