Synopsys——一文读懂“双向散射分布函数”：为什么研究材料表面特性如此重要？

　　你是否曾经思考过，为什么当阳光洒在汽车表面时，反射的光线会闪耀而不刺眼？或者为什么粉底液使皮肤在相同光线情况下呈现出不同的效果，有的哑光均匀，有的光泽感强？这是因为汽车表面经过特殊处理和粉底液成分质地不同，在表面产生了优化和不同效果。这些现象背后都可以使用一个科学概念──双向散射分布函数（BSDF）来进行解释和描述。通过测量散射数据，我们可以更深入地了解材料如何影响光线的散射，并进一步优化产品设计以提升视觉体验。
　　什么是双向散射分布函数（BSDF）
　　BSDF(Bidirectional Scattering Distribution Function)是双向散射分布函数的缩写，它是一个数学函数，用于描述光线从表面散射的情况。其数学定义如下公式所示：

　　其中：
　　L是观察方向上样品表面的亮度
　　E是光源方向上样品表面的照度
　　Λ是波长

　　其数学定义如下公式所示：

　　
　　在实际应用中，这一现象通常被分解为反射和透射两个成分，随后分别作为BRDF（双向反射分布函数）和BTDF（双向透射分布函数）进行处理。

　

　　为什么BSDF在光学设计中如此重要？
　　在光学设计过程中，准确的仿真结果取决于的光学特性。在实际中，仅靠几何形状无法确定光线分布从，决定光线能量和方向变化的是光学特性。因此，了解材料的光学特性至关重要。通过将测量材料所得数据导入到光学软件工具中，是获取特性方法。
　　需求：
　　光学开发者需要用于光线追迹仿真的准确光学属性
　　研发工程师需要设计具有给定光学属性的合适材料
　　生产过程中的质量检查必须严格控制
　　解决方案：
　　基于双向散射分布函数（BSDF）的角向光学散射
　　光传播TIS量（反射率、透射率、吸收率比）
　　新思科技BSDF测量解决方案
　　测量BSDF有两种主要方法：测角仪式系统和相机式系统。新思科技提供了这两种方法的解决方案。
　　测角仪式系统

　　您可以使用传统的测角仪式系统来测量BSDF，其中一个固定光源照射样品，而移动探测器则绕着样品旋转以收集散射光（或者相反，使用动态光源和静态探测器）。新思科技提供了两种测角光度计解决方案：Synopsys REFLET 180S和高光反射工作台。

　

　　针对这些高分辨率、高动态的电动散射仪系统，我们将提供实验室内的测量服务，同时Synopsys REFLET 180S也可供购买。

　　相机式系统
　　您还可以使用基于相机的系统来测量BSDF，其中光源照射样品，通过摄像头系统将所有散射光传送到相机。

　　新思科技所推出了两款基于相机的系统：Synopsys Mini-Diff V2和Synopsys Mini-Diff VPro，两种系统均可购买。Synopsys Mini-Diff VPro（左图）提供配套的“暗室”和温度控制。Mini-Diff V2（右图）是一种便携式设备，操作简便且速度快。

　

　　所有这些设备都支持将测量数据导出到仿真软件中，以用于设计。
　　设计分享：使用新思科技 REFLET 180S测量汽车仪表盘并使用LucidShape设计
　　在汽车制造领域，车辆仪表盘材料的表面测量数据在研发过程中发挥着至关重要的作用。可根据测量结果评估表面粗糙度、颗粒大小分布来确定哪种材料的反射性能弱，散射性能强。旨在实现的光散射表面，以减少风挡玻璃对驾驶员的反光影响，提高安全性。

　　为了比较两种不同颗粒度仪表盘表面的散射特性，我们使用白光在四个入射角度（AOI=10°/30°/50°/70°）下进行了双向反射分布函数（BRDF）测量。

　　
　　这两个表面都呈现出较大的高斯峰值散射，同时具有朗伯背景。
　　Reference 1和Reference 2的背景水平相似，但是Reference 1更具有镜面反射特性，而Reference 2更具有漫反射特性；这表明Reference 2更适合用做仪表盘。

　　由于测量数据可以导出到设计软件，因此您可以在LucidShape中利用这些数据进行仿真设计。

　
　　通过将数据导入LucidShape并进行仿真可得出相同结论：Reference 1更具镜面反射性，而Reference 2更具漫反射性，这意味着司机在使用Reference 2时会感受到更少眩光。
　　因此测量BSDF使开发者能够选择合适的材料或涂层，实现渲染，并降低原型制作成本。