Computersimulation der Lichtstreuung in einer trüben Flüssigkeit

 

 
 
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Küvette, von verschiedenen Seiten betrachtet

Parameter der Simulation:

 
Parameter Wert Bemerkung
Brechungsindex der Flüssigkeit 1.33 Wasser
Brechungsindex der Partikel 1.60 Latex (genauer Wert 1.59)
Brechungsindex Glas 1.51 Schott BK7
Wellenlänge 0.6328 µm Helium-Neon Laser
Stokesparameter des einfallenden Lichts (1,1,0,0) 100% linear polarisiert; Polarisationsrichtung senkrecht zur Symmetrieachse der Küvette
Partikelradius 0.4 µm Mie-Streuung, starke Vorwärtsstreuung
Volumenkonzentration der Partikel 2 x  10-5 Einfachstreuung und Mehrfachstreuung sichtbar
Innendurchmesser der Küvette 20.00 mm
Innenhöhe der Küvette 6.00 mm
Glasdicke 2.00 mm
Zahl der Strahlen 8 x 109 Rechenzeit mehrere Tage
Halber Öffnungswinkel  2.5° 
Auflösung  256 x 256 Pixel
Abgebildeter Bereich 28 mm x 28 mm

Methode

Eine große Anzahl von Modellphotonen ("Strahlen") werden mithilfe von Monte-Carlo-Strahlungstransport von der Strahlungsquelle bis zu dem Punkt verfolgt, an dem sie die Küvette verlassen. Die Koordinaten dieses Punktes werden auf die Beobachtungsebene projeziert und definieren das Pixel, in dem die Energie des Modellphotons registriert wird. Für die Bildberechnung  werden nur die Photonen berücksichtigt, deren Richtung maximal 2.5° von der Normalen der Beobachtungsebene abweicht.
 

Durchführung

Für die Ausführung der Rechnung wurde ein einfaches, selbstentwickeltes Monte-Carlo-Strahlungstransport Programm verwendet, das die Polarisation des Lichts (Stokesvektorformalismus) voll berücksichtigt. Wegen der einfachen Geometrie arbeitet das Programm sehr schnell. Trotzdem waren mehrere Tage Rechenzeit nötig um die Ergebnisse zu erhalten. Mehrere Bilder können gleichzeitig berechnet werden. Die verwendete Methode eignet sich also zur Erstellung von animierten Bildsequenzen.
 

Ergebnisse und Diskussion

Einen kurze Animation der Ergebnisse finden Sie hier.  Je nach Verbindungsgeschwindigkeit kann es einige Zeit dauern bis die Bilder geladen sind.

Ausblicke

Der verwendete Programm ist zur Simulation komplexer Geometrien (zum Beispiel Lichtleiter) leider nicht geeignet. Ziel der Rechnungen war lediglich, die Durchführbarkeit zu zeigen sowie auf die Grenzen der heutigen Rechentechnik hinzuweisen. Der Rechenzeitaufwand  für fotorealistische Bilder von Beleuchtungssystemen ist enorm und an der Grenze des Machbaren.

Für eine fotorealistische Simulation von Beleuchtungssystemen (Lit appearance) mit komplizierterer Geometrie sind offenbar folgende Softwarevoraussetzungen zu erfüllen:

  1. die verwendete Software muss in der Lage sein, komplizierte Geometrien zu modellieren
  2. die Software muss sehr schnell sein, d.h. die numerischen Verfahren effizient implementieren.
  3. die Software muss geeignete Analysemöglichkeiten bieten als Voraussetzung für die Bildberechnung
  4. Parallelisierungsmöglichkeit
Das Raytracingprogramm ASAP der Breault Research Organization erfüllt alle Voraussetzungen. Ein Alleinstellungsmerkmal ist die Möglichkeit zur Parallelisierung der Rechnung auf bis zu sechs PCs, die über ein LAN vernetzt sind (ASAP REMOTE). Wenn alle Möglichkeiten ausgeschöpft werden (schnelle, vernetzte PCs) können mit ASAP Lit Appearance-Rechnungen innerhalb einer akzeptablen Zeit (einige Stunden bis wenige Tage, je nach Komplexität des Systems, Auflösung etc.) durchgeführt werden.