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開発品を事前に視覚化:

高精度な物性データ取得に

シノプシス光学ソリューションを活用

Optical and Photonic Solutions Blog～日本語版～

公開日：2024年3月29日

フォトリアルなレンダリングは、3Dレンダリングソフトウェアを使用して、物理ベースの仮想照明、カメラ、マテリアルを使用し、リアルなイメージを生成する技術で、開発品をまるで現実に存在するかのような画像を生成します。

この技術は、開発品を事前に視覚化できるためプロトタイピングのコストを削減し、自動車や一般照明、さらには化粧品など、多岐に渡る製造業で効果を実感できます。リアルなレンダリングは、LightToolsやLucidShapeなどの光学ソフトウェアを使用して行われ、材料の光学的な性質に関する詳細なデータがソフトウェアに指定され、シミュレーションを経てフォトリアルなレンダリングが得られます。

もちろん目指しているのは、現実に可能な限り近いイメージを制作することです。これを実現するためには、使用する材料の光学特性を可能な限り正確に知ることが重要です。それが私たちの役割です。私たちは、光学的特性を直接、高精度に測定するツールを提供します。

シノプシスのソリューション

シノプシスはClass 10,000のラボ(IS07)を備えており、ここでは材料の光学的特性を直接測定できます。暗室内は、温度と湿度が制御されており、以下のような専門的な機器があります：

シノプシスREFLET 180S ゴニオフォトメータ
シノプシスハイスペキュラーベンチ (10メートル)
2次元輝度計
照度計
スポット輝度計
分光光度計
積分球： 6インチ

図1：シノプシスの測定ラボ

これらの機器により、多くの材料の光学的性質を正確に測定/把握することが可能となります。これらの機器から光学的性質のデータを取得するには2つの方法があります。シノプシスSmartStart測定サービスとシノプシスSmartStartライブラリの使用です。

SmartStart 測定サービス

シノプシスのSmartStart測定サービスを使用すると、お客様は自身のサンプルを送付し、希望する測定を選ぶことが可能です。

我々は、お客様のニーズと期待に応えるために、サンプルに最適な測定方法を選択するための支援を提供します。入射角や波長などの特定の基準に基づいて、お客様のニーズに合わせて測定をカスタマイズすることができます。各測定の価格は、測定タイプに依存します。結果は、注文とサンプルを受け取ってから平均3週間で提供されます。

SmartStart ライブラリ

シノプシスのSmartStartライブラリを介して、弊社のラボで測定された光学的特性データを得ることも可能です。このオプションは、LightToolsおよびLucidShapeユーザーに対して別ライセンスのモジュールとして提供されます。大量かつ増え続けている材料のライブラリへのアクセスを提供するだけでなく、このオプションでは、追加料金なしで新しい材料の測定をリクエストすることも可能です。ただし、測定がリクエストされたサンプルは、メーカーのカタログに所属していなければならず、カスタムサンプルまたはカスタム測定は許可されません。

シノプシスの測定サービスから得られた物性を含むレンダリングの例

1. 自動車用ライトガイド

自動車分野では、ライトガイドは車内外で見られます。

In the automotive field, light guide can be found inside and outside of the vehicle | Synopsys

図2：ライトガイドの例

下のLucidShapeで示されたライトガイドの設計は、透明で非拡散性プラスチック材料でライトガイドを構成し、拡散性プラスチック(より具体的には体積散乱材質)で囲む構成になります。これによりライトガイドから出る光を空間的に拡げることが可能になります。さらに白と黒のランバーシャン特性を持つプラスチックがハウジングとして使用されています。

図3：LucidShape自動車照明設計ソフトウェアでのライトガイドの設計

透明な材質

透明な材質の完全な特性評価には、2つの測定が必要です: 左側に示した屈折率の測定と、右側に示したスペクトル透過率の測定です。

$Refractive index measurements (a) and spectral transmittance (b) measurements | Synopsys$

図4：屈折率測定 (a) とスペクトル透過率 (b) 測定

シノプシス屈折率の測定では、カスタマイズされた商用屈折計を使用して、曲線で示される屈折率のスペクトル依存性を得ます。スペクトル透過率は、光が表面に当たってからの透過パワーと入射パワーの比率です。これは鏡面反射光と散乱透過光の両方を考慮に入れます。これを測定するためには、すべての方向からの透過光をすべて集めることです。実際には、積分球を分光測定器に接続して使用します。サンプルは積分球の入口に配置されます。その後、入射光の透過強度(球の入口に何もない状態で)が測定されます。これにより、サンプルのスペクトル透過率が計算されます。

拡散性プラスチック

この材料の完全な特性評価には、プラスチック中に浮遊する微粒子によって引き起こされる散乱をモデル化するために、体積散乱の測定が必要です。これは直接測定することはできません。代わりに、GegenbauerモデルとMieモデルの両方の散乱パラメータ値を導く手法がLightToolsを用いて開発されています。この手法は、同一のサンプルを4つの異なる厚さで行う2D双方向透過分布関数(BTDF)の測定に基づいています。これらの測定は、シノプシスのReflet 180Sゴニオフォトメータで行われます。この機器の性能データは、次の表にまとめられています。

Synopsys REFLET 180S performance table | Synopsys

図5：シノプシスREFLET 180Sおよび性能表

LightToolsの手法は、これら4つのBTDF測定を使用して、この材料で発生する散乱をシミュレートするために必要なパラメータを導き出します。

我々は以下の体積散乱粒子タイプを選ぶことができます。

Gegenbauerモデル：このモデルから得られた平均自由行程、Alpha、及びgパラメータに基づいています。
Mie散乱モデル：粒子の半径、密度、及び屈折率に基づいています。

もちろん、計算されたデータが計測結果と同じシミュレーション結果を提供していることも確認しています。

図6：体積散乱粒子

ハウジング

ハウジング用の2種類のランバーシャンプラスチック(黒と白の)完全な特性評価には、双方向反射分布関数(BRDF)と反射率の測定が必要です。 BRDFは、シノプシスREFLET 180Sで測定されます。以下の図の左側に示されているように、散乱角の関数としてのBRDFが得られます。予想通り、曲線はフラットです。もちろん、黒いプラスチックの値は白いプラスチックの値よりも低く、黒の場合は完全なランバーシャンの約5％、白の場合はほぼ95％になります。反射率測定は透過測定に似ていますが、反射空間で行われます。これは、光が表面或いは光学要素からどれだけ反射するかを表します。測定は、全反射信号(散乱+鏡面)の全体を球に積分し、入射ビームの全反射パワーで正規化することで構成されます。実際には、反射率で、サンプルは透過を防ぐために裏側が黒い球上に配置され、レーザー光源で照らされます。その後、ランバーシャン・スペクトラロンによる反射強度が測定されます。較正された基準反射率を既知ですので、サンプルの反射率が計算されます。これは、以下の図の右側に示されています。