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What is Volume Scattering?

체적 산란

Table of Contents

체적 산란이 광학 설계에 왜 중요할까요?
체적 산란 측정을 위해 Synopsys는 어떤 솔루션을 제공하나요?

Definition

체적 산란은 광 매체 (예: 글라스 또는 플라스틱)의 내부에서 발생하는 현상으로, 매질 내에 작은 입자가 있으면 그로 인해 빛이 산란됩니다. 작은 기포, 함유물 또는 오염으로 인해 매질 내 산란이 발생할 수 있습니다. 이러한 이유로 발생하는 산란은 원인이 내부에 있기에 제거할 수 없다는 점을 제외하면 표면 입자에서 발생하는 산란과 본질적으로 유사합니다. 이러한 광 매체 내의 입자는 일반적으로 앞뒤 방향으로 빛을 산란시킵니다. 산란 강도와 편광은 결함 특성과 쉽게 관련되지 않으며 표면 산란에서 발견되는 것처럼 빛으로 밝혀진 스팟 크기와 관련하여 최소 산란 각도가 없습니다.

How is Volume Scattering Important to an Optical Design?

체적 산란이 광학 설계에 왜 중요할까요?

광학 설계에서는 형상만으로 배광이 결정되는 것이 아니라 광학 속성이 광선의 에너지와 방향이 어떻게 변화하는지를 결정하며, 정확한 시뮬레이션 결과를 얻으려면 정확한 광학 속성 정의가 필수입니다. 따라서, 설계에 사용되는 소재의 광학적 속성을 가능한 한 정확하게 파악하는 것이 중요합니다. 정확한 속성을 얻는 가장 좋은 방법은 소재을 직접 측정하고 데이터를 내보내 광학 설계 소프트웨어에서 사용하는 것입니다.

필수 요건 (Requirements):

광학 설계자는 광선 추적 (Ray tracing) 시뮬레이션을 위해 정확한 광학 속성이 필요합니다.
R&D 팀에서는 주어진 광학 속성을 가지고 올바른 소재를 설계해야합니다.
제조 공정의 품질 검사는 완벽하게 제어되어야 합니다.

해결 방안 (Solutions):

Bidirectional Scattering Distribution Function (양방향 산란 분포 함수)를 사용한 각도 광학 산란: Classic BSDF 또는 Total Internal Reflection (TIR) BSDF
Total Internal Scatter (TIS)로 인한 빛의 전파량: Reflectance (반사율), Transmittance (투과율), Absorbance Ratio (흡수율)
체적 산란 (Volume Scattering) 속성

Volume scattering is a phenomenon that occurs in an optical medium (e.g., glass or plastic), where the presence of small particles within the volume of the material causes light to scatter. | Synopsys

What Solution does Synopsys Offer for Measuring Volume Scattering?

체적 산란 측정을 위해 Synopsys는 어떤 솔루션을 제공하나요?

Synopsys의 LightTools 에는 확산 플라스틱, 불완전성(기포)이 있는 유리판, 먼지가 많은 대기 등의 매개체에서 빛이 어떻게 작용하는지 분석할 수 있는 체적 산란 (Volume Scattering)을 모델링하는 기능이 있습니다. 체적 산란 소재를 통해 광선을 추적할 때 일반적으로 각 입자 산란 에 대해 들어오는 광선 당 하나의 광선이 생성됩니다. 소재 내 산란의 분포는 일반적으로 소재 내에서 균일하다고 가정되는 산란 입자의 밀도에 따라 통계적으로 계산됩니다. 각 산란에서 나오는 광선의 방향은 Gegenbauer 또는 Mie와 같은 통계적 입자 산란 모델을 사용하여 계산됩니다.

Synopsys LightTools software has the capability to model volume scattering that enables a user to analyze how light behaves in media such as diffusing plastics, a plate of glass with imperfections (bubbles), or a dusty atmosphere. | Synopsys

이러한 입자 산란 모델을 사용하여 실제 산란 소재로 실제 조명 시스템을 설계하려면 일반적으로 직접 측정할 수 없는 특정 파라미터 값이 필요합니다. Synopsys에서는 체적 산란 소재 샘플의 측정된 BSDF 데이터를 기반으로 적절한 산란 파라미터 값(Gegenbauer 및 Mie 모델 모두)을 결정하는 기술을 개발했습니다.

특수 전문 광학 장비인 Synopsys REFLET 180S로 BSDF 측정을 수행합니다.

Synopsys REFLET 180S

The Synopsys REFLET 180S optical bench is easy to use for spot inspection or quick analysis.

Learn More

체적 산란 측정을 위해 동일한 샘플의 2D BTDF를 네 가지 두께에서 측정합니다. 이 네 가지의 BTDF 측정값을 사용하여 개발한 모델로 최적화를 수행하여 소재 시뮬레이션에 필요한 파라미터를 찾습니다. 그런 다음, 계산된 데이터가 측정과 동일한 시뮬레이션 결과를 제공하는지 확인합니다.

Volume scattering measurements workflow | Synopsys

이 최적화의 결과로 제공되는 파라미터는 다음과 같습니다:

Mean Free Path (MFP): 광선이 전파 방향을 변경하는 산란이 발생하기 전에 이동하는 평균 거리를 정의됩니다.
Anisotropy Factors g and alpha: 이방성 계수 g와 알파는 Gegenbauer 위상 함수에 의해 정의된 각도 산란 분포를 설명합니다. 각 산란에서 전파의 각도 변화는 이 분포에서 무작위로 샘플링됩니다. g의 유효범위는 -1에서 1 사이이며, 알파는 -0.5보다 큰 값을 가질 수 있습니다.
Transmittivity: 산란 당 절대 투과율에 해당. 투과 값이 1.0 보다 크면 에너지를 얻게 됩니다.

위 파라미터는 LightTools 조명 소프트웨어에서 직접 사용하여 시뮬레이션에 사용할 수 있는 material (.mat) 파일을 생성할 수 있습니다.