BSDF 材料散射与外观特性测量系统 IS-SA.pdf

BSDF材料散射和外观特性测量系统 IS-SA BSDF是Bidirectionalscatteringdistributionfunction的简称，学术 上称之为双向散射分布函数。（更多知识请关注开玄光电） BSDF是研究物体表面粗糙度之光学性质。由于物体表面上有凹凸不平的微小 表面，一道入射光线射到表面而产生散射现象，用BSDF 来表示这种散射现象。 其中双向（Bidirectional）系指入射光与接受散射光的方向，因不同的入射光 角度所产生的散射性质亦不相同。 BSDF双向散射分布函数，描述光从物体表面向不同方向散射。BSDF方程包含 入射光方向以及散射光方向，顾名曰“双向”。用公示表述，BSDF的定义为， 每单位入射光照度产生的散射辐射，或 因为辐射的单位是watts/m2-sr，而照度的单位是watts/m2，所以BSDF的单 位为1/sr（辐射强度的倒数）。 注意，这个关于BSDF的方程中，将表面的投射视为“发射”散射辐射，所以式 上式可化为 BSDF（BidirectionalScatteredDistributionFunction，即双向散射分布 函数）由BTDF（BidirectionalTransmittanceDistributionFunction，即双 向透射分布函数）与BRDF（BidirectionalReflectanceDistribution Function，即双向反射分布函数）构成。 双向反射分布函数（BidirectionalReflectanceDistributionFunction， BRDF）用来定义给定入射方向上的辐射照度（irradiance）如何影响给定出射方 向上的辐射率（radiance）。更笼统地说，它描述了入射光线经过某个表面反射 后如何在各个出射方向上分布——这可以是从理想镜面反射到漫反射、各向同性 （isotropic）或者各向异性（anisotropic）的各种反射。 BRDF的定义公式为： 光线照到一个物体，首先产生了反射，吸收和透射，所以BRDF的关键因素即 为多少光被反射、吸收和透射（折射）了，是怎样变化的。这时的反射多为漫反 射。而要知道这些光线反射透射的变化就需要清楚三样东西，物体的表面材质、 光线的波长（即它是什么样的光，是可见太阳光，节能灯光还是紫外线）和观察 者与物体 之间的位置关系。三维世界角度可以类似是球体的，光线角度除了纵 向180°的变化，还有横向360的不同发散方向。会有相应的入射光，反射光， 入射角和反射角，它们在物体表面的法平面和切平面上的关系成为了BRDF的关 键参数。由于人类眼睛对光的特殊敏感性，我们之所以能看到物体都是通过光线 在物体上的发射和转移实现的。而双向反射分布这样的函数表示可以更好地描述 光线在物体上的变化，反射光线同时发向分布在法线两边的观察者和光源两个方 向，从而使人在计算机等模拟环境下，视觉上可以看到更好的物体模拟效果，仿 佛真实的物体存在。 BTDF与BRDF类似，只不过它是用来描述相对面上的散射情况。 综上所述，可以将BSDF看作BRDF与BTDF的扩展集。其实不论BSDF、BRDF 还是BTDF，这些函数的概念都可以被描述为一个以任意两个角度输入的黑盒子， 一个是入射光线，另一个是出射光线（反射或透射）。这个黑盒子会输出一个值， 该值定义了输入和输出的光能量之间的比例为给定的一对角度。黑匣子的内容可 能是一个数学公式，用以模拟和近似实际表面的行为，它也可能是一个算法，在 产生输出的基础上测量数据的离散样本。 BSDF 主要应用在计算机仿真物体表面明亮度，与真实人眼所看物体之明亮度 相符；也可应用在背光模块之光学模拟，例如扩散膜的散射性质等等。另外，在 材料的光学性能研究领域，双向散射分布函数（BSDF）已经是一个被广泛认可的 综合指标，在航天遥感、地理信息、海洋开发、自然灾害监测、气候研究、军工 信息等领域得到广泛的应用。随着数字化和信息化的发展，BSDF的研究也开始 了数学建模和数字仿真。 因此，BSDF的测试日渐成为光学材料仿真与应用中不可或缺的一环，对测量 BRDF /BTDF的要求也越来越高。IS-SA便是测量BSDF仪器中的一款领导产品， 其主要特征如下图： IS-SA能够在各种光照条件下对表面散射特性进行定量分析，可用来测量塑 料、金属、纺织品、玻璃、纸张、涂面、抛光表面、人体皮肤、工程表面等表面 散射。 用IS-SA对扩散膜进行测量，这些扩散膜可用于图像、性能增强或背光显示