介绍
本文旨在重点介绍OCEAN™的微观表面光学处理。微观表面条件可以通过各种工艺在材料表面产生，主要取决于所考虑的材料以及预期的粗糙度：酸蚀、激光结构化或卷筒印刷。
我们不会详细介绍各种现有技术。我们在这里感兴趣的是这些不同技术的结果，即在材料表面产生的微观表面条件，以及如何用OCEAN™模拟它。
在本文中，我们将重点介绍玻璃的微观表面状态，这在各个领域都令人感兴趣：汽车、建筑/建筑、产品设计、显示器……在下文中，我们将介绍如何使用Ocean模拟微观表面状态™，并通过两个案例研究来说明这一点：一个在汽车领域，一个在建筑领域。
OCEAN™中的模拟
OCEAN™是一种光谱光线追踪器，可提供高精度的照明计算。由于其特定的光谱特征，它可以对材料进行高度物理准确的描述，并提供物理上真实的预测图像。依靠有效且强大的物理方法，它保证了虚拟模拟与现实世界之间的完美匹配。
与大多数渲染软件一样，可以使用微面分布的 BSDF（双向反射分布函数）对微观表面状态进行建模和模拟。根据要模拟的状态类型，也可以使用多种理论模型：Beckmann、Phong、Ward……
这些模型使用不同的参数化来描述小平面方向的分布。图 1 显示了高粗糙度和低粗糙度表面的横截面视图，该视图与小平面方向的变化有关。我们看到，刻面的角度越大，表面越粗糙。
图 1 – 小平面方向的两个分布示例。（a）：刻面方向的高度变化导致表面更粗糙。（b）：刻面方向的微小变化导致更光滑的表面。
因此，全局表面光学特性由小平面分布（小平面方向的统计表示）和描述光如何被各个微面散射的 BSDF 表示。
贝克曼参数化示例
各向同性贝克曼微面分布函数可以表示为：
其中 α=√2 σ，σ微面斜率的均方根 （RMS） 和 θh是小平面法线和曲面法线之间的角度。图 2 显示了各向同性贝克曼分布与 θ 的函数关系h，α=0.5。
在OCEAN™中，粗糙度参数对应于 σ，即坡度的 RMS。
图 2 – 各向同性贝克曼分布作为 θ_h 的函数，当 α=0.5 时
我们已经展示了一个理论微面模型的例子。但是，如何模拟海洋™中测量的表面微观状态呢？存在一个专用模型，即各向同性表.
测量表面的微观状态
可以使用AFM（原子力显微镜）技术表征蚀刻玻璃表面的微观状态。AFM 测量为我们提供了样品上相应位置 （x， y） 的高度信息 （z）。图 3 显示了蚀刻玻璃的测量结果。
图 3 – 左：蚀刻玻璃表面微观状态的 3D 视图。右：对应的 2D 视图。
正如我们所看到的，这种表面的微观状态是各向同性的，因此我们可以利用海洋™中的各向同性表模型。
该模型允许通过表格状的斜率分布来描述表面的微观状态。这些表格值可以通过处理 （x， y， z） 测量值来获得。为此，我们计算了每个点和相应角度之间的斜率，并推导出所获得角度的余弦分布。图4显示了高粗糙度蚀刻玻璃的斜角随斜角的函数关系的分布。
图 4 – 斜率角随斜角的函数分布。
案例研究
汽车应用
多年来，我们付出了巨大的努力来提高驾驶员在方向盘上的舒适性和安全性。例如，这包括改进高级驾驶辅助系统（ADAS），但也包括为仪表板及其组件（如显示器）使用特定材料。
如今，有几种技术可以减少仪表板显示屏的光线反射，以免在驾驶时使驾驶员眼花缭乱。在本案例研究中，我们的想法是研究和评估其中两种的效率：物理气相沉积 （PVD） 抗反射 （AR） 涂层和离子注入抗反射涂层。两者都与微观表面状态耦合，如上一节所述进行处理。使用Ocean™模拟了两种镀膜的光学行为和效率。图 5 显示了显示器平面/蚀刻盖板玻璃的美学仿真。显示器分为两个区域，左边是平坦的表面，右边是蚀刻的表面。
平面和蚀刻玻璃的插图 – 关闭展示
平面和蚀刻玻璃的插图 – 关闭展示
图 5 – 平板玻璃和蚀刻玻璃的图示。显示器分为两个区域，左边是平坦的表面，右边是蚀刻的表面。左：显示关闭。右：显示开启。
我们看到，在显示器上使用蚀刻盖板玻璃可以减少镜面反射（在显示器左侧可见强烈、尖锐的反射），由于减少了寄生镜面反射，从而降低了显示屏的可读性。
由于Ocean™的强大功能，我们还能够提取定量信息。我们使用 Ocean 虚拟再现了光学测量设备，允许提取不同配置的反射光谱，并显示 Ocean™ 测量和实验室测量之间有 0.1% 的误差。
注意：我们还强调，由于Ocean™的高度模块化，由于制造真实样品的内在困难，其测量结果比任何实验室测量早六个月即可获得。
在这个项目中，我们还进行了现场研究。因此，我们模拟了用于HUD应用时的两种情况（PVD/离子注入）：仪表板上的透明元件由玻璃组成，该元件将光线从HUD系统传递到挡风玻璃。太阳在这块玻璃上的反射会让驾驶员在驾驶时眼花缭乱。因此，我们进行了模拟，在仪表板玻璃上涂上了前面提到的两种涂层，以评估眩光和颜色稳定性方面的最佳配置。图 6 显示了研究期间使用的设置。
图 6 – 研究期间使用的设置。
如前所述，由于Ocean™的高度模块化，我们可以轻松地将不同的光学特性组装在一起，例如，将不同类型的产品组合在一起，检查它们的互补性。这样做是为了评估施加在与偏振HUD系统（偏振发射器和专用涂层挡风玻璃）组装的仪表板上的离子注入涂层的性能。
建筑应用
如前所述，在博客文章《温室的光优化研究》中，农学界当前的研究课题之一是农业温室的研究，目的是优化进入温室的光量，以最大限度地提高农业产量。如本文所述，研究了玻璃的几种成分，即从表面的微观状态的角度。我们模拟了玻璃表面的两种不同微观状态，见图7。左图表示表面状态强度较低。右图表示表面状态的高强度。在玻璃后面放置三个目标，以评估蚀刻对光通过玻璃传输的影响。我们清楚地看到了影响：地表状态的强度越高（即地表结构的高度和频率），传输越模糊。
表面粗糙度强度低
表面粗糙度强度高
图 7 – 玻璃表面不同微观状态的模拟。左：表面状态强度低。右图：表面状态强度高。在玻璃后面放置三个目标，以评估蚀刻对光通过玻璃传输的影响。
结论
作为结论，我们已经表明，如果我们能够获得透明材料（如玻璃）表面状态的表征，我们就可以提出它的忠实表示，从而可以进行外观和定量研究。
这些研究可以在数字计算平台进行，在最终应用上进行，而不再在实验室样品上进行。
为了更进一步，我们通过不同的案例研究表明，主要思想是散射光。因此，这里的光的散射是由于表面特性，它与由于体积扩散引起的光散射不同。
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