광학 기술의 발전으로 재료, 표면을 구성하는 요소 및 제품 품질에 대한 요구사항이 까다로워지고 때로는 완전히 새로운 요구사항이 생기기도 합니다. 자동차 광학 적용 분야에서는 특히 높은 수준의 투과율과 산란을 촉진하는 소재가 광학 시스템의 성능 효율과 외관에 중요하게 작용되기도 합니다. 천문학 및 우주 기반 시스템의 광학에 대한 재료 요구 사항은, 반사율을 제한하고 미광을 줄이는 등의 재료가 사용되며, 이는 자동차 광학에서 요구되는 재료 특성과 상당히 다를 수 있습니다.  

광학 기술에 사용되는 재료에 대한 요구사항은 재료의 광학적 특성은 물론, 정확도 높은 데이터를 도출하는 분석 방법을 포함하며, 재료 및 표면의 광학 특성에 대한 핵심 정보에는 반사율, 투과율 및 흡수율 측정 데이터가 포함됩니다. 

측정 데이터를 통해 물리적 프로토타이핑 및 시제품 제작 전 재료가 광학 제품 성능에 미치는 영향을 시뮬레이션을 통해 평가할 수 있습니다.

아래는 반사율 및 투과율 측정이 Synopsys TIS Pro 장비의 활용을 통해 광학 제품 설계를 개선할 수 있는 방법에 대한 예시입니다.

Figure 1. Synopsys TIS Pro

반사 및 투과율 측정의 의미

정확한 광학 시스템 시뮬레이션 결과는 보통 정확한 재료 및 표면의 데이터 속성에 의존하게 됩니다. 형상이 배광을 결정하지 않으므로, 원하는 배광을 얻기 위해서는 에너지와 광선 방향이 어떻게 변하고 어디로 가는지를 파악해야하며, 이를 위해서 광학 특성 데이터가 필요합니다. 표면과 재료의 광학 속성을 특성화하는 데 사용할 수 있는 두가지를 아래에 말씀드리겠습니다.  

첫번째는 각도에 따른 빛의 퍼짐입니다. 이를 BSDF(Bidirectional Scattering Distribution Function)라고도 합니다. BSDF는 입사광이 들어올 때 투과 및 반사 모두를 포함해 빛이 산란되는 것을 설명합니다.

두번째는 반사율/투과율 (R/T)의 비율입니다. 이 측정 값의 경우 빛이 산란되는 위치에 관계없이 빛이 표면이나 재료에 닿을 때 생기는 전체 반사광 또는 투과광을 포함합니다. 

반사율 또는 투과율은 입사되는 빛에 대해 반사광 또는 투과광의 비율로 정의됩니다. 

광학 특성 측정의 이점

눈에 보여지는 외적인 것은 주관적인 것이기 때문에 전반적인 외관을 정량화하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 하지만 광 산란 측정으로 정량화 할 수 있는 형상의 특정 측면이 있습니다.

  • 재료에 의해 반사된 빛의 스펙트럼 분포의 색상
  • 재료에 의해 반사된 빛의 형상 분포로 인한 반짝임 
  • 재료에 의해 반사된 빛의 공간적 분포로 인한 재질

형상의 정량화는 물리적 측정과 육안의 측정으로 얻은 관찰자의 반응 사이의 상관 관계를 설정하는 것과도 같습니다. BSDF는 이 정보를 통합하는 측정 데이터입니다. 

반사율 및 투과율 값은 BSDF에서 계산할 수 있지만 이는 장비의 정확도 및 측정 샘플링 또는 분해능에 따라 크게 달라집니다. 

이러한 이유로 BSDF와 더불어 R/T 값을 별도로 측정하면 광학 시뮬레이션의 정확도를 높일 수 있습니다.

Figure 2. 반사율 측정을 위한 Synopsys TIS Pro 셋업

Figure 3. 투과율 측정을 위한 Synopsys TIS Pro 셋업

측정할 입사각을 지정하면 측정이 시작됩니다. 광원과 샘플이 지정한 입사각에 맞추어 회전합니다. Synopsys TIS Pro가 샘플에 빛을 비추고 스펙트럼 검출기가 지정된 위치에서 적분구를 빠져나가는 신호를 수집합니다. Synopsys TIS Pro는 해당 신호를 보정된 신호와 비교한 다음 반사율, 투과율 또는 흡수율을 계산합니다.

측정이 끝나면 측정 결과를 LightTools와 같은 광학 시뮬레이션 소프트웨어로 내보낼 수 있습니다.

적용분야 예시

Synopsys TIS Pro는 광학 시스템의 표면과 재료의 영향을 평가하는 데에 사용됩니다. 측정 데이터는 아래의 분야에 활용할 수 있습니다.  

  • 자동차 설계 또는 일반 조명 시스템을 위한 반사체/확산체 재료 특성화
  • 생산에서 필요한 품질 관리 평가
  • 항공 우주 광학에 사용되는 코팅의 미광 억제 분석
  • 포토 렌더링에 활용하기 위한 스펙트럼 특성 측정 
  • 화장품 분야의 광학 특성 연구
  • 다양한 입사각에 대한 재료 특성화
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Figure 4. Synopsys TIS Pro 측정 결과

더 알아보기

Synopsys는 광학 산란 측정 도구 및 측정 서비스에 대한 다양한 자료를 제공합니다. 

본 블로그 포스팅은 Optical Scattering Measurements 로 분류됩니다.