【技術文章】BSDF 材料散射和外觀特性測量系統

BSDF 是 Bidirectional scattering distribution function 的簡稱，學術上稱之為雙向散射分布函數。BSDF 是研究物體表面粗糙度之光學性質。由于物體表面上有凹凸不平的微小表面，一道入射光線射到表面而產生散射現象，用 BSDF 來表示這種散射現象。其中雙向（Bidirectional）系指入射光與接受散射光的方向，因不同的入射光角度所產生的散射性質亦不相同。

BSDF 雙向散射分布函數，描述光從物體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，顧名曰“雙向”。BSDF（Bidirectional Scattered Distribution Function，即雙向散射分布函數）由 BTDF（Bidirectional Transmittance Distribution Function，即雙向透射分布函數）與 BRDF（ Bidirectional Reflectance Distribution Function，即雙向反射分布函數）構成。

雙向反射分布函數（Bidirectional Reflectance Distribution Function，BRDF）用來定義給定入射方向上的輻射照度（irradiance）如何影響給定出射方向上的輻射率（radiance）。更籠統地說，它描述了入射光線經過某個表面反射后如何在各個出射方向上分布——這可以是從理想鏡面反射到漫反射、各向同性（isotropic）或者各向異性（anisotropic）的各種反射。

光線照到一個物體，首先產生了反射，吸收和透射，所以 BRDF 的關鍵因素即為多少光被反射、吸收和透射（折射）了，是怎樣變化的。這時的反射多為漫反射。而要知道這些光線反射透射的變化就需要清楚三樣東西，物體的表面材質、光線的波長（即它是什么樣的光，是可見太陽光，節能燈光還是紫外線）和觀察者與物體 之間的位置關系。三維世界角度可以類似是球體的，光線角度除了縱向 180°的變化，還有橫向 360 的不同發散方向。會有相應的入射光，反射光，入射角和反射角，它們在物體表面的法平面和切平面上的關系成為了 BRDF 的關鍵參數。由于人類眼睛對光的特殊敏感性，我們之所以能看到物體都是通過光線在物體上的發射和轉移實現的。而雙向反射分布這樣的函數表示可以更好地描述光線在物體上的變化，反射光線同時發向分布在法線兩邊的觀察者和光源兩個方向，從而使人在計算機等模擬環境下，視覺上可以看到更好的物體模擬效果，仿佛真實的物體存在。

BTDF 與 BRDF 類似，只不過它是用來描述相對面上的散射情況。綜上所述，可以將 BSDF 看作 BRDF 與 BTDF 的擴展集。其實不論 BSDF、BRDF還是 BTDF，這些函數的概念都可以被描述為一個以任意兩個角度輸入的黑盒子，一個是入射光線，另一個是出射光線（反射或透射）。這個黑盒子會輸出一個值，該值定義了輸入和輸出的光能量之間的比例為給定的一對角度。黑匣子的內容可能是一個數學公式，用以模擬和近似實際表面的行為，它也可能是一個算法，在產生輸出的基礎上測量數據的離散樣本。

BSDF 主要應用在計算機仿真物體表面明亮度，與真實人眼所看物體之明亮度相符；也可應用在背光模塊之光學模擬，例如擴散膜的散射性質等等。另外，在材料的光學性能研究領域，雙向散射分布函數（BSDF）已經是一個被廣泛認可的綜合指標，在航天遙感、地理信息、海洋開發、自然災害監測、氣候研究、軍工信息等領域得到廣泛的應用。隨著數字化和信息化的發展，BSDF 的研究也開始了數學建模和數字仿真。

因此，BSDF 的測試日漸成為光學材料仿真與應用中不可或缺的一環，對測量BRDF / BTDF 的要求也越來越高。IS-SA 便是測量 BSDF 儀器中的一款領導產品，其主要特征如下圖：

IS-SA 能夠在各種光照條件下對表面散射特性進行定量分析，可用來測量塑料、金屬、紡織品、玻璃、紙張、涂面、拋光表面、人體皮膚、工程表面等表面散射。

用 IS-SA 對擴散膜進行測量，這些擴散膜可用于圖像、性能增強或背光顯示。IS-SA 用來區分不同膜的不同效果，也用于對跨片的工藝質量和生產控制的均勻性進行檢測。更好的是 IS-SA 能夠充分表征 BRDF 和 BTDF 的數據需求。也可用于全息薄膜的測量。IS-SA 的數據可以通過全息膠片區分不同的全息圖、確定空間均勻性，或是用于比較樣品的目標設計性能。

IS-SA 可用以設計照明系統的光學部件特性。光學系統由多種元件組成，一些元件產生光，另一些引導或修改它。IS-SA 中有多種可用于光學系統反射或傳輸的材料性質，如反射面或擴散膜表面，這些數據能夠更準確的進行整體光學系統建模。

可用于計算機仿真與繪制，一般通過測量目的進行區分：對比材料特征，檢查材料差異，并檢測空間或時間的變化。這些信息可用于一般的科學或工程分析、材料開發、生產控制、繪制渲染等等。

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