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。(聯系我們獲取文章附件)

介紹

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，該表面會根據指定的分布散射入射光能量的一部分。

假設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%的反射光會根據朗伯 (Lambertian) 分布發生散射。剩下的20%將發生鏡面反射。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生所需的效果。

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。在當前系統中，矩形體的表面沒有定義任何膜層或散射屬性。

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。

建立理想膜層

OpticStudio 可以模擬任何類型的薄膜膜層，其中包括多層電介質膜層和金屬膜層等。然而在本文中，我們將只討論如何在 OpticStudio 中建立和應用簡單的理想膜層。

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據來進行定義的。對于一個理想膜層，其定義語法為：

IDEAL

理想膜層只需要定義強度的透射系數和反射系數，并且該系數與波長和入射角無關。吸收系數會根據公式A=1.0–T–R來自動進行計算以保持能量守恒。

如果我們想定義一個40%透射60%反射的膜層，并且該系數與波長及入射角無關，我們可以使用以下語句進行定義：

IDEAL 60Reflect 0.4 0.6

這個膜層可以應用在任何使用當前膜層文件的 OpticStudio 設計當中，您可以在系統選項 (System Explorer) > 文件 (Files) 中查看當前系統的鍍膜文件：

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據。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。

點擊數據庫 (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的透射和反射比的膜層。

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：

當新的理想膜層輸入到膜層文件后，將文件以適當的名稱進行保存，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。

使用理想膜層

如果想要 OpticStudio 識別新創建的理想膜層，您必須首先在系統選項中的文件選項卡的膜層文件欄中選擇新創建的膜層文件。

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，表示側面；1，表示前面；2，表示后面。

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。

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)?下拉菜單選擇新創建的理想膜層?60REFLECT：

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。

如我們預期的一樣，此時探測器接收到的總能量降低到初始能量的60%：

對表面添加散射屬性

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。

在OpticStudio中內置了多種散射模型；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鍵的數據輸入欄：光線數 (Numbers of Rays)?和散射函數 (Scatter Fraction)。散射函數必須在0（表示入射光能量的0%會發生散射）到1（表示入射光能量的100%會發生散射）之間。OpticStudio 如何使用這兩個參數取決于每個特定分析功能是否開啟了光線分裂 (Ray Splitting)?功能。

對于本例來說，分別設置散射函數和光線數為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）%。

為了驗證矩形體前表面的屬性已經改變，我們可以打開非序列3D視圖 (NSC 3D Layout) 工具，在設置中勾選光線箭頭 (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（根據朗伯散射分布），因此一共有六根光線入射到探測器上。

并且，如果我們執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%。

并且，當追跡光線數量增加至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。

可以看到我們已經在 OpticStudio 中完成了部分反射和散射表面的創建。在本例中使用的工具和概念可以應用到更復雜的系統之中，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。

將屬性應用到其他表面

假設我們想在矩形體的側面和后面也添加相同的膜層和散射屬性以用于后續的分析。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，將當前表面的設置參數保存，并快速應用到其他表面上。

當完成了當前表面的膜層/散射設置后，點擊保存按鈕即可完成設置參數的保存。

在彈出的對話框中，您可以將該設置參數命名為其他名稱：

保存成功后，您可以在矩形體的其他表面上使用這些參數設置：

小結

通過設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。

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。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Ansys Zemax | 如何模拟部分反射和散射的表面的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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