Reflexionseigenschaften verschiedener Mikrostrukturen

CeQueue · Anmeldungsdatum: 15.04.2016 Beiträge: 7

Hallo an Alle,

mich interessiert der Zusammenhang zwischen der Oberflächenstruktur und die damit einhergehenden Reflektionseigenschaften. Ich suche zu diesem Thema schon sehr lange nach Antworten. Da ich nicht weiterkomme, frage ich euch um Hilfe:

Ich komme nach meiner Recherche nur auf den Zusammenhang, dass wenn eine Oberfläche "rauh" ist, so reflekktiert sie eintreffendes Licht diffus. Nun frage ich mich, was passiert wenn die Oberfläche näher spezifiziert wird. Als Beispiel dient eine sinusförmige Oberfläche (genauer: Die Welligkeit ist sinusförmig). Reflektiert diese einfach auch nur "diffus"?

Ich kann mir nur sehr schwer vorstellen, dass es zwischen einer stochastischen Oberflächen und einer Oberfläche mit definierte Struktur kein Unterschied zwischen den Reflektionseigenschaften gibt.

Meine Suche hat mich schon auf BRDFs geführt. Jedoch kann ich dort auch keine Zusammenhänge zwischen Mikrostrukturen und Reflektion erkennen.

Viele Grüße
CeQueue

yellowfur · Moderator Anmeldungsdatum: 30.11.2008 Beiträge: 804

Ich · Anmeldungsdatum: 11.05.2006 Beiträge: 913 Wohnort: Mintraching

Bei kleinen periodischen Strukturen wird die Reflexion wellenlängenabhängig
https://de.wikipedia.org/wiki/Optisches_Gitter#Reflexionsgitter

CeQueue · Anmeldungsdatum: 15.04.2016 Beiträge: 7

Vielen Dank an euch Beide Thumbs up!

@Ich: Dieser Hinweis ist gut

@yellowfur: Genau darum geht es mir. Wie kann ich diese Reflexionscharakteristik berechnen? Mir ist es wichtig den Unterschied nachweisen zu können.

Viele Grüße

CeQueue

yellowfur · Moderator Anmeldungsdatum: 30.11.2008 Beiträge: 804

Grundsätzlich kommt es darauf an, wie genau und auf welchem Level du diese Reflexionscharakteristik untersuchen willst und um welche Struktur es dir geht.

Eine Methode wäre, mit Ray Tracing ein Modell der Lichtausbreitung zu berechnen. Du definierst dir eine Einfallsrichtung des Lichtes und rechnest den Winkel zwischen Oberflächennormalen und Einfallsrichtung am Auftreffpunkt auf der Oberfläche aus. Dann ziehst du eine Zufallszahl und berechnest für den gegebenen Winkel zwischen Lot und Einfallsrichtung die Fresnelkoeffzienten und je nach Zufallszahl rechnest du mit Reflektion oder Transmission weiter. Das wiederholst du für N "Lichtteilchen". Dann hättest du nur die Oberflächenstreuung, du kannst aber durch Propagation im Medium auch die Volumenstreuung mitnehmen.

Sind die Gitterstrukturen nicht sehr viel größer als die Wellenlänge oder hast du irgendwelche Interferenzeffekte, die mit Ray Tracing nicht modelliert werden können, muss man die Maxwellgleichungen oder eine Näherung davon lösen. Möglichkeiten sind die Finite-Differenzen Methode oder die Finite-Elemente Methode. Für besondere Geometrien (regelmäßiges Gitter etc), kann man das Ganze auch analytisch lösen.

Wie gesagt, es kommt ein bisschen darauf an, was du vorliegen hast. Mit Einfallswinkel und Fresnelkoeffizienten kannst du aber das Reflexionsvermögen auf jedenfall abschätzen. Gegebenenfalls musst du über mehrere Realisierungen der streuenden Oberfläche mitteln.

CeQueue · Anmeldungsdatum: 15.04.2016 Beiträge: 7

Super vielen Dank Big Laugh

Hab mich mal nach Ray Tracing umgeschaut. Scheint schon komplizierte zu sein. Mich wundert es, dass es für den Spezialfall einer sinusförmigen Mikrostruktur keine Beispiele gibt.

Mein Ziel ist es den Nachweis zu erbringen, dass eine sinusförmige Mikrostruktur (exakter lässt sich die Struktur mathematisch als z=sin(x)*cos(y) beschreiben, quasi eine Noppenstruktur) bessere/andere optische Eigenschaften besitzt, als eine zufällig geartete rauhe Oberfläche.

Da sich die Struktur mathematisch sehr gut darstellen lässt, wäre es mir am liebsten ich fände Formeln in denen ich als Oberflächenparameter sin(x)*cos(y) einsetzen kann und sich die Eigenschaften berechnen lassen.

Viele Grüße

CeQueue

yellowfur · Moderator Anmeldungsdatum: 30.11.2008 Beiträge: 804

Das ist tatsächlich gar nicht so einfach. Entweder implementierst du etwas mit Raytracing oder du schaust dich mal um, es gibt tatsächlich vollständige analytische Lösungen der Maxwellgleichungen für Strukturen wie von dir beschrieben, man muss "nur" die Randbedingungen an der Grenzoberfläche aufstellen.

Du hast eben kein perfektes Gitter, das du anleuchtest, sondern du willst ja gerade wissen, was aufgrund der Materialeigenschaften (Brechungsindex usw.), reflektiert wird, wenn ich das richtig verstehe.

CeQueue · Anmeldungsdatum: 15.04.2016 Beiträge: 7

Hey,

nicht nur Materialeigenschaften, sondern auch aufgrund der Mikrostruktur, die zuvor durch Bearbeitung mit Werkzeugen entstanden ist. Aber im Grunde hast du Recht.

Danke. Ich werde mich mal weiter umschauen und mich bei weiteren Fragen wieder melden.

Grüße

CeQueue