priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2023-66-11-936-949pribor-222Research ArticleКОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯCOMPUTER MODELING AND DESIGN AUTOMATIONМетодика эффективного компьютерного моделирования устройства измерения светорассеивающих свойствMethodology for effective computer modeling of a device for measuring light scattering propertiesСоколовВ. Г.SokolovV. G.

Вадим Геннадьевич Соколов, факультет программной инженерии и компьютерной техники; старший научный сотрудник

Санкт-Петербург

Vadim G. Sokolov, ITMO University, Faculty of Software Engineering and Computer Systems; Senior Researcher

St. Petersburg

sokolovv1969@gmail.comПотеминИ. С.PoteminI. S.

Игорь Станиславович Потемин, канд. техн. наук; Университет ИТМО, факультет программной инженерии и компьютерной техники; доцент

Санкт-Петербург

Igor S. Potemin, PhD; ITMO University, Faculty of Software Engineering and Computer Systems; Associated Professor

St. Petersburg

ipotemin@yandex.ruЖдановД. Д.ZhdanovD. D.

Дмитрий Дмитриевич Жданов, канд. физ.-мат. наук; факультет программной инженерии и компьютерной техники; доцент

Санкт-Петербург

Dmitry D. Zhdanov, PhD; ITMO University, Faculty of Software Engineering and Computer Systems; Associated Professor

St. Petersburg

ddzhdanov@mail.ruУниверситет ИТМОITMO University2023011220246611936949Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20242024Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/222

Рассматривается проблема компьютерного моделирования оптической системы со светорассеивающими элементами. Корректное моделирование устройств с такими элементами требует выполнения дли тельных световых расчетов с использованием стохастических трассировщиков лучей. Представлен подход к эффективному моделированию подобных установок на примере запатентованного устройства, предназначенного для измерения двунаправленной функции рассеяния, которая используется для описания светорассеивающих свойств. Предложена реалистичная компьютерная модель устройства, позволяющая произвести расчет допусков на отклонения в позиционировании наиболее критически важных блоков устройства и произведена оценка точности измерений с учетом допусков. Результаты моделирования измерений двунаправленных функций представлены в форме графиков и синтезированных изображений.

The problem of computer simulation of an optical system with light scattering elements is considered. Correctly modeling devices with such elements requires lengthy light calculations using stochastic ray tracers. An ap proach to efficient modeling of such installations is presented using the example of a patented device designed to meas ure the bidirectional scattering function, which is used to describe light scattering properties. A realistic computer model of such a device is proposed, which makes it possible to calculate tolerances for deviations in the positioning of the most critical device blocks, and an assessment of the accuracy of its measurements is carried out. Results of measurement simulations of bidirectional functions are presented in the form of graphs and synthesized images.

компьютерное моделированиедвунаправленная функция рассеяниядвунаправленная функция отражениядвунаправленная функция пропусканияcomputer simulationbidirectional scattering distribution functionbidirectional reflectance distribution functionbidirectional transmittance distribution functionработа выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант № 22-11-00145this work was supported by the Russian Science Foundation, grant No. 22-11-00145ReferencesBartell F. O., Dereniak E. L, Wolfe W. L., The Theory and Measurement of Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF) And Bidirectional Transmittance Distribution Function (BTDF) // Proc. SPIE 0257, Radiation Scattering in Optical Systems, 3 March 1981. DOI: org/10.1117/12.959611.Bartell F.O., Dereniak E.L, Wolfe W.L. Radiation Scattering in Optical Systems, Proc. SPIE, 3 March 1981, vol. 0257, https://doi.org/10.1117/12.959611.Torrance K., Sparrow E. Theory for Off-Specular Reflection from Roughened Surfaces // J. Optical Soc. Amer. 1976. Vol. 57. Р. 1105—1114.Torrance K. and Sparrow E. J. Optical Soc. America, 1976, vol. 57, pp. 1105–1114.Ward J. G. Measuring and modeling anisotropic reflection // Proc. of SIGGRAPH. 1992. Р. 265—272. DOI: 10.1145/133994.134078.Ward J.G. Proc. of SIGGRAPH, 1992, pp. 265–272, doi:10.1145/133994.134078.Blinn J. F. Models of light reflection for computer synthesized pictures // Proc. 4th Annual Conf.on Computer Graphics and Interactive Techniques. 1977. Р. 192. DOI: 10.1145/563858.563893.Blinn J.F. Proc. 4th Annual Conf. on Computer Graphics and Interactive Techniques, 1977, pp. 192, DOI:10.1145/563858.563893.X-Rite MA98 Portable Multi-Angle Spectrophotometers, X-Rite [Электронный ресурс]: <https://www.tricolor.pl/images/pdf/L10-372_MA98_en.pdf>, 7.11.2023.X-Rite MA98 Portable Multi-Angle Spectrophotometers, https://www.tri-color.pl/images/pdf/L10-372_MA98_en.pdf.MA-T12 Handheld Multi-Angle Spectrophotometer | X-Rite 12-Angle Color Measurement, X-Rite [Электронный ресурс]: <https://www.xrite.com/categories/portable-spectrophotometers/ma-family/ma-t12>, 7.11.2023.MA-T12 Handheld Multi-Angle Spectrophotometer X-Rite 12-Angle Color Measurement, https://www.xrite.com/categories/portable-spectrophotometers/ma-family/ma-t12.Optical Scattering Measurement & Equipment | Synopsys, Synopsys Mini-Diff VPro, SYNOPSYS, [Электронный ресурс]: <https://www.synopsys.com/optical-solutions/scattering-measurements.html#MiniDiffVPRO>, 7.11.2023.Optical Scattering Measurement & Equipment Synopsys, Synopsys https://www.synopsys.com/optical-solutions/scattering-measurements.html#MiniDiffVPRO.Imaging Sphere for Scatter and Appearance Measurement IS-SA, Radiant Vision Systems, [Электронный ресурс]: <https://sphereoptics.de/wp-content/uploads/2014/03/Radiant-ImagingSphere-IS-SA.pdf>, 7.11.2023.Imaging Sphere for Scatter and Appearance Measurement IS-SA, Radiant Vision Systems,Ansys Optical Measurement Device Solutions, ANSYS AMO-PRO, AMO-Premium, Ansys [Электронный ресурс]: <https://www.ansys.com/content/dam/product/optical/omd/ansys-omd-technical-description-sheet.pdf>, 7.11.2023.https://sphereoptics.de/wp-content/uploads/2014/03/Radiant-ImagingSphere-IS-SA.pdf.Gonio Photometer GP-700｜Murakami Color Research Laboratory [Электронный ресурс]: <https://www.mcrl.co.jp/english/products/p_color_sp/detail/GP700.html>.Ansys Optical Measurement Device Solutions, ANSYS AMO-PRO, AMO-Premium, Ansys,Gonio-Spectrophotometric Color Measurement System GCMS-4B, [Электронный <https://www.mcrl.co.jp/english/products/p_color_sp/detail/GCMS4B.html>, 7.11.2023. ресурс]:https://www.ansys.com/content/dam/product/optical/omd/ansys-omd-technical-description-sheet.pdf.Пат. RU 2790949 C1. Устройство для измерения двунаправленной функции рассеяния (варианты) / В. Г. Соколов, И. С. Потемин, Д. Д. Жданов. Опубл. 2023.02.28 [Электронный ресурс]: <https://patents.google.com/patent/RU2790949C1/ru>.Gonio Photometer GP-700｜Murakami Color Research Laboratory, Muracami Color Research Laboratory, https://www.mcrl.co.jp/english/products/p_color_sp/detail/GP700.html.Sokolov V., Potemin I., Wang Y. Virtual prototyping of BSDF measurements for materials with complex scattering properties // Proc. of SPIE. 2021. Vol. 11876. Р. 118760K.Gonio-Spectrophotometric Color Measurement System GCMS-4B, https://www.mcrl.co.jp/english/products/p_color_sp/detail/GCMS4B.html.Sokolov V., Potemin I., Zhdanov D. D., Barladian B. Simulation of the BSDF measurements for scattering materials with GP-200 gonio-photometer for light guiding plates // Proc. of SPIE. 2021. Vol. 11783. Р. 1178305.Patent RU2790949C1, Ustroystvo dlya izmereniya dvunapravlennoy funktsii rasseyaniya (varianty) (Device for Measuring the Bidirectional Scattering Function (Embodiments)), V.G. Sokolov, I.S. Potemin, D.D. Zhdanov, Priority 2022-07-26, Published 2023-02-28.Xenon Arc Lamp, 150 W, Ozone Free, Newport [Электронный ресурс]: <https://www.newport.com/p/6255>, 7.11.2023.Sokolov V., Potemin I., Wang Y. Proceedings of SPIE, 2021, vol. 11876, pp. 118760K.Oriel mini monochromator, 2023 [Электронный ресурс]: <https://research.engineering.ucdavis.edu/woodall/wpcontent/uploads/sites/84/2016/02/oriel_78025_specs.pdf>, 7.11.2023.Sokolov V., Potemin I., Zhdanov D.D., Barladian B. Proceedings of SPIE, 2021, vol. 11783, pp. 1178305.González O., Rodríguez S., Pérez-Jiménez R., Mendoza B., Ayala A. Comparison of Monte Carlo ray-tracing and photon-tracing methods for calculation of the impulse response on indoor wireless optical channels // Opt. Express. 2011. N 19. P. 1997-2005.Xenon Arc Lamp, 150 W, Ozone Free, https://www.newport.com/p/6255.Nicodemus F. E. Directional Reflectance and Emissivity of an Opaque Surface // Appl. Opt. 1965. N 4. P. 767—775.Oriel mini monochromator, 2023, https://research.engineering.ucdavis.edu/woodall/wp-content/uploads/sites/84/2016/02/oriel_78025_specs.pdf, 7.11.2023.Lumicept — Hybrid Light Simulation Software, 2023 [Электронный ресурс]: <https://integra.jp/en/products/lumicept>, 7.11.2023.González O., Rodríguez S., Pérez-Jiménez R., Mendoza B., and Ayala A. Opt. Express, 2011, vol. 19, рр. 1997–2005.Nicodemus F.E. Appl. Opt., 1965, vol. 4, рр. 767–775.Nicodemus F.E. Appl. Opt., 1965, vol. 4, рр. 767–775.Lumicept – Hybrid Light Simulation Software, https://integra.jp/en/products/lumicept.Lumicept – Hybrid Light Simulation Software, https://integra.jp/en/products/lumicept.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.