Streulichtanalyse (Teil 3)
Um Streulicht sowohl korrekt als auch effizient zu modellieren, muss die am besten geeignete Wahl aus den verfügbaren Streumodellen getroffen und das System so eingerichtet werden, dass genügend Streulicht in den interessierenden Bereich gelangt.
FREDs beeindruckende Auswahl an Streuungsmodellen und Wichtigkeits-Sampling-Optionen sind von entscheidender Bedeutung, damit Sie schnell die richtigen Ergebnisse erhalten. In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf einen einfachen Fall, gefolgt von einem komplexeren Mehrfachstreuungsmodell.
Abbildung 1. Streumodelle können mit unterschiedlicher Streueffizienz aufgebaut werden
Darstellung von Oberflächenstreuung
Die Oberflächenstreuungsmodelle von FRED lassen sich im Allgemeinen in drei Kategorien unterteilen: parametrisiert (dh mathematisch modelliert), tabellarisch (dh gemessene und optional angepasste Daten) und skriptgesteuert – wobei Sie Ihre eigene Streuungsfunktion schreiben können.
| Typ | Modell | Beschreibung |
|---|---|---|
| Tabellarisch | Tabellarische BSDF | Interpolierte BSDF-Streudaten |
| Tabellarische PSD | Interpolierte BSDF aus Oberflächenprofildaten | |
| Diffuses Polynom | Angepasste gemessene Tabellendaten | |
| Diffuses Binomial | Angepasste gemessene Tabellendaten (ebenensymmetrisch) | |
| Parametriert | Lambertian | Idealisierte diffuse Streuung |
| Harvey-Shack | Streuung durch Mikrorauhigkeit der polierten Oberfläche | |
| Erweiterte Harvey-Hütte | Harvey-Shack mit zusätzlicher Winkelabhängigkeit | |
| ABg | Streuung durch Mikrorauhigkeit der polierten Oberfläche | |
| Flache schwarze Farbe | Diffuse Reflexion basierend auf Aeroglaze Z306 | |
| Oberflächenpartikel (Mie) | Streuung durch kleine Oberflächenpartikel | |
| K-Korrelation | Mikroraue Streuung als PSD | |
| Wind | Streuung, die der Cos^n-Beziehung folgt | |
| Geskriptet | Geskriptet | Benutzerdefiniertes BASIC-Skript |
| Erweitertes Skript | Wie oben mit Unterstützung für Polarisation |
Diese Streumodelle können so gewählt werden, dass sie in Reflexion und/oder Transmission angewendet werden und optional den Spiegelstrahl entfernen, der für wirklich diffuse Oberflächen erforderlich sein kann.
Streuung effizient modellieren
Raytracing-Software handhabt Streuereignisse, indem sie eine bestimmte Anzahl zufälliger Strahlen von der Oberfläche erzeugt, deren Leistungen aus der Streuungsdefinition berechnet werden. Wir werden uns ein einfaches Beispiel einer hochreflektiven Lambertschen Streufläche ansehen, bei der sich in einem gewissen Abstand über der Streufläche ein Ring befindet, der die Eintrittspupille eines anderen Systems darstellt, in das das Licht gestreut wird. Der Einfachheit halber befindet sich hinter dieser Öffnung ein Detektor, an dem die Anzahl der in den Ring eintretenden Streustrahlen gemessen werden soll.
Abbildung 2. Eine hochreflektierende Lambertsche Oberfläche, die in eine Hemisphäre emittiert, wenn keine wichtige Abtastung vorliegt. Nur 0,8% der Streustrahlen gelangen durch den Ringraum zum Detektor.
Es kann manchmal notwendig sein, die zufällige Erzeugung von Strahlen in alle Richtungen zuzulassen, aber in einem Modell wie dem obigen, bei dem das Ziel darin besteht, die in eine bestimmte Richtung (in Richtung unseres Rings) gestreute Leistung zu messen, ist dies erbärmlich ineffizient. Nur 8 der 1000 erzeugten Streustrahlen gelangen in die Region of Interest.
Die Verwendung von Wichtigkeitsabtastung behebt dieses Problem, indem Strahlen erzeugt werden, die in eine bestimmte interessierende Richtung gehen und daher mehr Signal an unserem Detektor erzeugen.
FRED unterstützt sechs Arten von Wichtigkeitsstichproben
| Bedeutung der Stichprobenart | Beschreibung |
|---|---|
| Strahlen in vorgegebene Richtung streuen | In einen benutzerdefinierten Kegelwinkel streuen, der um eine bestimmte Richtung zentriert ist |
| Streustrahlen in die spiegelnde Richtung | Streuen Sie in einen benutzerdefinierten Kegelwinkel, der um den Spiegelstrahl zentriert ist |
| Streustrahlen in Richtung einer Entität | Streuung in Richtung des Begrenzungsrahmens einer Entität (kann nicht rotationssymmetrisch sein) |
| Strahlen auf einen Punkt streuen | Streuen Sie in einen benutzerdefinierten Kegelwinkel, der auf einen bestimmten Punkt im Raum zentriert ist |
| Streustrahlen in Richtung eines ellipsoiden Volumens | Streuung zu einer Ellipse, die an einem bestimmten Punkt zentriert ist (kann nicht rotationssymmetrisch sein) |
| Streustrahlen durch eine geschlossene Kurve | Streuung in Richtung einer vorhandenen benutzerdefinierten Kurve (kann nicht rotationssymmetrisch sein) |
Ein Ansatz, um Strahlen in Richtung des interessierenden Bereichs streuen zu lassen, besteht darin, ein kugelförmiges Ziel innerhalb der Öffnung des Bildschirms zu platzieren und die Strahlen darauf zu richten. In FRED kann dies entweder mit den Optionen zum Streuen auf einen Punkt oder mit elliptischem Volumen erfolgen:
Abbildung 3. Gezoomt im Hinblick auf eine Kugel (Ellipse), die das wichtige Abtastziel darstellt, wird die Kugel auf dem ringförmigen Bildschirm vor dem Detektor zentriert.
Die FRED-Definitionen für dieses Setup sind in den Abbildungen 4 und 5 dargestellt.
Abbildung 4. Die Streueigenschaften und das Wichtigkeits-Sampling (Richtungsbereiche von Interesse). Beachten Sie, dass mehr als ein Streuungsmodell und ein Interessenbereich definiert und aktiv sein können.
Abbildung 5. Definition des sphärischen Ziels. Jeder der Wichtigkeits-Sampling-Typen hat weitere Optionen, um die Anzahl der gestreuten Strahlen und die Cutoffs für die Streuvorfahren zu steuern.
Diese Definition ist viel effizienter als die Streuung in eine Halbkugel und alle Strahlen gehen in die allgemeine interessierende Richtung.
Abbildung 6. Die Streuung an einer Kugel ist effizienter als das No-Relevance-Sampling, aber immer noch nicht ideal, da der kreisförmige Ring von der Streuoberfläche aus gesehen eine elliptische Form hat.
Allerdings erreichten immer noch nur 462 der 1000 erzeugten Streustrahlen den interessierenden Bereich innerhalb des Rings. Dies ist zwar eine große Steigerung gegenüber dem Wirkungsgrad von 0,8%, der ohne Wichtigkeits-Sampling beobachtet wurde, dieses Ergebnis zeigt auch die Grenzen der Verwendung sphärischer Targets, um planare Aperturen bei hohen Einfallswinkeln darzustellen.
In Wirklichkeit ist der Ring, der die Eintrittspupille des nachfolgenden optischen Systems darstellt, aus der Perspektive der Streufläche zu einer Ellipse gestaucht, die durch eine Kugel nicht ausreichend dargestellt werden kann.
In diesem Fall sind die anderen wichtigen Sampling-Optionen, die FRED zu bieten hat, von Vorteil. Der vielleicht einfachste und effizienteste Ansatz besteht in diesem Fall darin, die Option von FRED zu verwenden, um in Richtung einer Kurve zu streuen, wobei diese Kurve die Öffnung der ringförmigen Oberfläche beschreibt.
Abbildung 7. Streuen Sie auf eine (kreisförmige) Kurve, die sich am Ring befindet. In diesem Fall gelangen 100 % der Strahlen durch den Ring zum Detektor.
Jetzt gelangen alle der 1000 erzeugten Streustrahlen in den interessierenden Bereich, was eine Effizienz von 100 % ergibt.
| Bedeutungsstichproben verwendet | Effizienz |
|---|---|
| Keiner | ~0.8% |
| Auf Sphäre streuen | ~46% |
| Auf Kurve streuen | 100% |
Der obige Vergleich der Auswahlmöglichkeiten der Wichtigkeitsabtastung und der Strahleffizienz unterstreicht klar die Notwendigkeit, die zu verwendende Wichtigkeitsabtastungstechnik auszuwählen.
Modellieren mehrerer Streuereignisse für mehrere Ziele
Die vorherigen Beispiele zeigen alle, dass ein Streuungsmodell in Verbindung mit einer Wichtigkeitsstichprobe verwendet wurde, und obwohl dies in einfachen Situationen in Ordnung ist FRED ist in der Lage, mehrere Streuungsmodelle und Ziele auf derselben Oberfläche zu hosten, bedeutet dies, dass es möglich ist, Streuungen zu stapeln Veranstaltungen auf unterschiedliche Weise, darunter:
- Oberflächen mit unterschiedlichen reflektierten und transmittierten Streufunktionen
- Oberflächen, die unterschiedliche Streueigenschaften aufweisen, wie z. B. eine polierte Oberfläche, die sowohl Mikrorauhigkeit (Harvey-Shack) als auch Partikelkontamination (Mie) aufweist.
- Oberflächen, die vorzugsweise in mehrere Richtungen streuen
Als letztes Beispiel, um dies zu demonstrieren, fügen wir eine sekundäre Streufläche hinzu, die das Licht von der ersten Streufläche zurückstreut. Um dies noch komplexer zu machen, wird die sekundäre Streufläche eine geneigte hexagonale Ebene sein (etwas, das durch eine Kugel nicht gut dargestellt werden kann). Der Raytrace zeigt die Auswirkungen.
Abbildung 8. Beispiel für Sekundärstreuung von einer geneigten hexagonalen Ebene. Die sekundären Streustrahlen werden in Lila angezeigt.
In dieser Simulation hat die erste Streufläche zwei aktive Streumodelle, um sowohl die diffuse Oberflächenstreuung als auch die Partikelstreuung darzustellen, und zwei interessierende Richtungen - eine zum Ring und die andere zur hexagonalen Oberfläche. Die sekundäre Streufläche ist so eingestellt, dass sie in Richtung des Rings streut.
Abbildung 9. Anwendung mehrerer Streumodelle und Streurichtungen auf die primäre Streufläche
Beachten Sie, dass die Scatter-Benutzeroberfläche von FRED auch die Möglichkeit bietet, Modelle nach Bedarf ein- und auszuschalten, ohne die Definitionen zu verlieren.
Zusammenfassung
FRED bietet dreizehn Streuungsmodelloptionen und sechs Arten von Wichtigkeitsstichproben, um Ihnen die größte Auswahl bei der Simulation der schwierigsten Streuungsprobleme, wie sie in der Streulichtanalyse zu sehen sind, zu bieten. Die Wichtigkeits-Sampling-Optionen von FRED ermöglichen hocheffiziente Strahlverfolgungen, die die Anzahl der benötigten Strahlen und damit die Berechnungszeiten reduzieren.