Ansys Zemax | 如何模擬部分反射和散射的表面
這篇文章介紹了如何模擬一個部分反射的表面，該表面會根據(jù)指定的散射分布對一部分入射光能量進行散射。本文介紹的示例包含部分吸收以及部分鏡面反射的情況。(聯(lián)系我們獲取文章附件)
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介紹
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使用 OpticStudio 非序列模式模擬散射和膜層的能力，我們可以模擬一個部分反射（或部分透射）的表面，該表面會根據(jù)指定的分布散射入射光能量的一部分。
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假設(shè)我們需要模擬一個表面為部分反射（60%反射）的矩形體 (Rectangle Volume) 物體，并且其中80%的反射光會根據(jù)朗伯 (Lambertian) 分布發(fā)生散射。剩下的20%將發(fā)生鏡面反射。通過使用三個非序列物體，本文的示例可以闡述了如何使用朗伯散射和理想膜層來產(chǎn)生所需的效果。
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我們無需從零開始建立模型，請打開附件中的示例文件。在該文件中，一個單光線光源 (Source Ray) 物體發(fā)出的光線入射到矩形體的表面，其中矩形體的材料類型為MIRROR。從光源發(fā)出的光線完美的返回到光源并被探測器平面接收。在當前系統(tǒng)中，矩形體的表面沒有定義任何膜層或散射屬性。
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通過不考慮偏振的蒙特卡洛光線追跡，單根光線照明了探測器最中間的像素并且該像素接收到的功率為1W。
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建立理想膜層
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OpticStudio 可以模擬任何類型的薄膜膜層，其中包括多層電介質(zhì)膜層和金屬膜層等。然而在本文中，我們將只討論如何在 OpticStudio 中建立和應(yīng)用簡單的理想膜層。
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和 OpticStudio 中的其他膜層相同，理想膜層是通過在膜層文件中定義材料、漸厚層以及膜層等部分的數(shù)據(jù)來進行定義的。對于一個理想膜層，其定義語法為：
IDEAL
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理想膜層只需要定義強度的透射系數(shù)和反射系數(shù)，并且該系數(shù)與波長和入射角無關(guān)。吸收系數(shù)會根據(jù)公式A=1.0–T–R來自動進行計算以保持能量守恒。
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如果我們想定義一個40%透射60%反射的膜層，并且該系數(shù)與波長及入射角無關(guān)，我們可以使用以下語句進行定義：
IDEAL 60Reflect 0.4 0.6
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這個膜層可以應(yīng)用在任何使用當前膜層文件的 OpticStudio 設(shè)計當中，您可以在系統(tǒng)選項 (System Explorer) > 文件 (Files) 中查看當前系統(tǒng)的鍍膜文件：
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COATING.DAT?文件是默認的膜層文件，它是 ASCII 格式的文本文件，其中包括了在 OpticStudio 中不同類型的膜層數(shù)據(jù)。用戶可以修改該文件來添加用戶自定義膜層。如果對膜層文件進行了任何修改或額外的添加，我們建議您將文件另存為一個新的文件名。否則，在 OpticStudio 進行版本更新時原有的默認膜層文件會被新的默認膜層文件覆蓋。
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點擊數(shù)據(jù)庫 (Libraries) > 膜層工具 (Coatings Tools) > 編輯膜層文件 (Edit Coating File) 打開鍍膜文件?COATING.DAT。文件中包含多種簡單的理想膜層，但是其中并沒有符合我們在前文中假設(shè)的透射和反射比的膜層。
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在本例中，我們需要在反射鏡表面上定義60%的反射。因此，表面的透過率為40%。我們需要插入一個理想的膜層來定義這個百分比：
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當新的理想膜層輸入到膜層文件后，將文件以適當?shù)拿Q進行保存，例如?MYCOATING.DAT。需要注意的是，文件的擴展名必須為 .DAT文件，并保存在與?COATING.DAT?文件相同的路徑下。
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使用理想膜層
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如果想要 OpticStudio 識別新創(chuàng)建的理想膜層，您必須首先在系統(tǒng)選項中的文件選項卡的膜層文件欄中選擇新創(chuàng)建的膜層文件。
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我們要在矩形體的前表面使用該膜層。首先打開物體2的物體屬性 (Object Properties)，選擇膜層/散射 (Coating/Scattering)?選項卡。該選項卡下的第一項輸入欄為物體的表面 (Face)。對于矩形體物體來說一共包含三個表面組：0，表示側(cè)面；1，表示前面；2，表示后面。
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因此，物體的不同表面可以定義不同的膜層和散射屬性。對于本例來說，選擇表面1，前面。
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默認情況下，物體的任何表面都沒有定義膜層。對于矩形體的前面，通過下方的膜層 (Coating)?下拉菜單選擇新創(chuàng)建的理想膜層?60REFLECT：
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在選擇了合適的膜層之后，點擊OK將膜層添加到物體表面上并退出物體屬性菜單。為了證實膜層已經(jīng)被使用并正確工作，我們可以運行光線追跡（勾選使用偏振 (Use Polarization)?選項）來進行驗證。
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如我們預(yù)期的一樣，此時探測器接收到的總能量降低到初始能量的60%：
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對表面添加散射屬性
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與膜層的定義類似，散射屬性也是在物體屬性中的膜層/散射選項卡里進行定義的。在當前示例中，重新打開矩形體的物體屬性，在膜層/散射選項卡中選擇表面為1，前面。
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在OpticStudio中內(nèi)置了多種散射模型；默認情況下，表面不會定義任何散射。這里我們選擇朗伯散射模型。在選擇朗伯散射模型后會激活兩個關(guān)鍵的數(shù)據(jù)輸入欄：光線數(shù) (Numbers of Rays)?和散射函數(shù) (Scatter Fraction)。散射函數(shù)必須在0（表示入射光能量的0%會發(fā)生散射）到1（表示入射光能量的100%會發(fā)生散射）之間。OpticStudio 如何使用這兩個參數(shù)取決于每個特定分析功能是否開啟了光線分裂 (Ray Splitting)?功能。
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對于本例來說，分別設(shè)置散射函數(shù)和光線數(shù)為0.8和5。因此，當開啟光線分裂功能時，散射能量（在考慮膜層首先造成的損耗之后，入射光能量的80%）將平均的分配到5根散射光線上。而對于鏡面反射的光線，其能量為入射光線的總能量的（1-散射函數(shù)）%。
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為了驗證矩形體前表面的屬性已經(jīng)改變，我們可以打開非序列3D視圖 (NSC 3D Layout) 工具，在設(shè)置中勾選光線箭頭 (Fletch Rays)、光線分裂 (Split Rays)、光線散射 (Scatter Rays)?和使用偏振 (Use Polarization)?選項。需要注意的是，初始光源光線被散射為5根光線（根據(jù)朗伯散射分布），因此一共有六根光線入射到探測器上。
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并且，如果我們執(zhí)行另一次蒙特卡羅光線追跡，這些光線（5根散射光線都落在探測器上時）的總能量將始終為0.6W，也就是入射光能量的60%。
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并且，當追跡光線數(shù)量增加至250萬根并提高探測器分辨率后，我們可以觀察到輻射強度最高的地方依然是正入射的情況，也就是鏡面反射的這部分光線。
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可以看到我們已經(jīng)在 OpticStudio 中完成了部分反射和散射表面的創(chuàng)建。在本例中使用的工具和概念可以應(yīng)用到更復(fù)雜的系統(tǒng)之中，其中使用到的定義膜層和散射屬性的基本方法都是相同的。
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將屬性應(yīng)用到其他表面
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假設(shè)我們想在矩形體的側(cè)面和后面也添加相同的膜層和散射屬性以用于后續(xù)的分析。我們可以使用物體屬性中膜層/散射選項卡中的保存 (Save) 功能，將當前表面的設(shè)置參數(shù)保存，并快速應(yīng)用到其他表面上。
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當完成了當前表面的膜層/散射設(shè)置后，點擊保存按鈕即可完成設(shè)置參數(shù)的保存。
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在彈出的對話框中，您可以將該設(shè)置參數(shù)命名為其他名稱：
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保存成功后，您可以在矩形體的其他表面上使用這些參數(shù)設(shè)置：
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小結(jié)
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通過設(shè)置理想膜層以及定義特定的散射屬性，我們可以在 OpticStudio 中定義部分反射和散射的表面。在 OpticStudio 非序列元件編輯器中的物體屬性中的膜層/散射選項卡下，您可以在物體的不同表面上定義不同的膜層和散射屬性。
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通過考慮偏振、分裂光線和散射光線，我們可以對不同散射類型的表面進行詳細的建模。
