Modellierung der Oberflächenstreuung im Anwendungsbereich lichttechnischer Simulationen

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Streuverhalten von Photonen an Oberflächen verschiedener, dielektrischer Materialien mit isotropen Eigenschaften, die als lichttechnische Komponenten in KFZ-Scheinwerfern verwendet werden. Um jenes Verhalten physikalisch korrekt zu modellieren, werden in der Regel bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktionen (engl. Bidirectional Reflectance Distribution Functions oder kurz: BRDFs) verwendet, die das makroskopische Verhalten einer Oberfläche in Bezug auf die kohärente Streuung von Photonen im sichtbaren Wellenlängenbereich beschreiben. Die Streufunktion kann dabei für eine gegebene Wellenlänge über das Verhältnis aus der reflektierten Leuchtdichte in Betrachtungsrichtung und der einfallenden Bestrahlungsstärke formuliert werden, sodass sich je nach Einfallswinkel verschiedene BRDFs ergeben. Nun werden im Rahmen dieser Diplomarbeit verschiedene, physikalisch basierte BRDF-Modelle sowie Interpolationsmethoden für beliebige Einfallsrichtungen zur Simulation streuender Oberflächen evaluiert und verglichen. Im Hinblick auf deren Eignung zur Beschreibung der jeweiligen lichttechnischen Komponenten werden diese entsprechend analysiert bzw. klassifiziert. Anschließend werden die geeigneten Modelle in die firmeninterne Raytracing-Software implementiert und mit den Ergebnissen der Messungen im Lichtlabor der Firma OPTIS GmbH verglichen, die mittels Gonioreflektometer (OMS4 extended material scanner von OPTIS) ermittelt werden. Durch die Evaluierung der Resultate wird das bestgeeignete Modell der Lichtstreuung identifiziert und anschließend in die Gesamtsimulation eines ausgewählten KFZ-Scheinwerfers implementiert. Dabei werden die berechneten Simulationsergebnisse mit den Messungen aus dem Lichtkanal verglichen.

This thesis deals with the scattering behavior of photons on surfaces of different, dielectric materials with isotropic properties that are used as lighting components in car headlamps. In general, bidirectional reflectance distribution functions (BRDFs) are used to model this behavior physically correct. These functions usually describe the macroscopic behavior of surfaces in relation to coherent scattering of photons in the visible wavelength range. The scattering function for a given wavelength can be formulated as the relation between the reflected radiance in view direction and incidence irradiance, which leads to different BRDFs depending on the incidence angle. Within the framework of this thesis different physically based BRDF-models and interpolation methods for arbitrary input directions are evaluated and compared by simulating the scattering surface. With regard to the suitability of describing the respective lighting components the according models are analyzed and classified. Then the suitable models are implemented in the internal raytracing software and are compared to the results of the measurements in the lightning laboratory of the OPTIS GmbH company, which are determined by a gonioreflectometer (OMS4 extended material scanner of OPTIS). By evaluating the results the most appropiate model of light scattering is identified and subsequently implemented in the overall simulation of a selected car headlamp. Thereby, the calculated simulation results are compared with the measurements from the light laboratory.