体散射(Bulk scattering)

物体体散射方法在物体属性窗口的"体散射"一节中设置。  体（体积）散射可对光线通过实体物体传播时的随机散射进行建模。OpticStudio支持3种实体物体体散射模式：无体散射、角度散射和DLL定义散射。

无体散射

如果选择无体散射，光线将在不散射的情况下通过实体传播。

角度散射

角度散射使用一个简单的模型来模拟实体内的散射。光线在介质中传播x距离的综合散射概率通过以下公式计算得出：

，其中

，

符号M是平均自由路径，以镜头单位表示。请注意，随着x的增加，光线发生散射的概率逐渐接近1.0。在0.0~1.0之间随机选取一个值赋予上述公式并求解出x，然后会生成具有正确统计信息的随机生成路径长度。如果该路径长度大于光线传播到下一个与物体交汇点的距离，就不会发生散射。否则，沿光线传播方向的某一具体位置，光线将发生散射。

一旦位置确定，就可以通过选择新光线方向来对散射进行建模。对于角度散射，需要选定一个随机角度，以便新光线方向均匀分布在与当前光线方向成一定角度的圆锥体内。圆锥体的半角是模型的其中一个参数，该参数应在0.0~180.0度之间取值。当角度为180.0度时，光线将在任一方向上随机发生散射。一旦光线发生散射，OpticStudio将自动调整偏振矢量并随机处理散射光线的相位。

DLL定义的散射

如果角度散射模型不能满足要求，可通过称为动态链接库(DLL)的外部程序定义更复杂的体散射函数。OpticStudio中提供了DLL示例及其源代码。使用合适的编译器可轻松创建新DLL。另请参阅"关于DLL的注释(Comments About DLLs)"。

定义物体以使用DLL定义的体散射

如果要使物体使用DLL定义的体散射函数，请从物体属性对话框中选择体散射选项卡，然后选择模型："DLL定义的散射"。所提供的DLL函数随后将在"DLL:"控件中列出。

要查看每个DLL的输入和输出数据，请查阅：体散射、衍射、表面散射DLL的数据[]值(Data[] values for Bulk Scatter, Diffraction, Surface Scatter DLLs)。

DLL参数

每一个DLL参数可以使用0到16个用户自定义数值作为计算介质属性的参数。这些参数由DLL定义并且只能在DLL中使用。

创建新的DLL

DLL必须包括两个函数：

  • UserBulkDefinition
  • UserParamNames

当光线追迹通过使用DLL定义的体散射物体时，OpticStudio会将当前沿光线方向的传播长度、不同光线数据值以及用户定义的其它参数数据传递给UserBulkDefinition函数。然后UserBulkDefinition函数需要确定光线是否会在沿传播长度的某个点发生散射。如果光线将发生散射，则UserBulkDefinition必须确定以下数值：

光线发生散射的位置、光线的新方向余弦、光线的衰减、如果有可选的新电场矢量（如未提供该值，OpticStudio将做出合理猜测）

这些值将返回到OpticStudio并用于继续进行光线追迹。UserParamName函数用于定义所有已使用参数的名称。这些名称将显示在物体属性对话框的体散射选项卡中。体散射DLL必须放在<data>\DLL\BulkScatter文件夹中。请参阅"文件夹(Folders)"。

示例体散射：Poly_bulk_scat.DLL

示例体散射文件poly_bulk_scat将散射概率定义如下：

其中，θ为散射光线针对非散射光线方向的极角。OpticStudio提供源代码文件poly_bulk_scat.c将作为示例文件。

示例体散射：Henyey-Greenstein-bulk.DLL

Henyey-Greenstein体散射模型将散射概率定义如下：

其中，θ为散射光线针对非散射光线方向的极角。参数g可为-1~0.9999之间的任何值。如果g的输入值小于-1，则g设置为-1。如果g的输入值大于0.9999，则g设置为0.9999。如果|g|的输入值小于1.0e-4，则g设置为1.0e-4。OpticStudio提供源代码文件Henyey-Greenstein-bulk.c作为示例文件。

示例体散射：Rayleigh.DLL

瑞利体散射(Rayleigh bulk scattering)模型根据瑞利准则(Rayleigh theory)将非偏振输入光束的散射概率定义如下：

其中，θ为散射光线相对于非散射光线方向的极角，λ为波长。DLL的输入为参考波长（即与平均路径输入值相关的波长）和透射（在各个发生散射的时刻允许损失的能量）。如欲了解更多详情，请参阅OpticStudio知识库中标题为"体散射与瑞利模型(Bulk Scattering with the Rayleigh Model)"一文。OpticStudio提供源代码文件Rayleigh.c作为示例文件。

示例体散射：Mie.DLL

米氏体散射模型根据米氏理论(Mie theory)定义散射概率。OpticStudio中使用的算法摘自Craig F. Bohren和Donald R. Huffman所著的《小颗粒对光的吸收和散射》(Absorption and Scattering of Light by Small Particles)，（约翰·威利父子出版公司，1983年）一书。DLL的输入包括颗粒指数、颗粒大小（单位为微米）以及颗粒密度（单位为cm-3）。如欲了解更多详情，请参阅OpticStudio知识库中标题为"如何利用米氏模型仿真大气散射(How to simulate atmospheric scattering using a Mie model)"一文。源代码文件未随OpticStudio一起发布。

示例体散射：Phosphor.DLL

荧光体散射模型是指可以同时发生荧光和散射的荧光材料。特定波长范围内（定义为"蓝色"）的光可进入应用DLL的介质，而且该光也可转换为其它波长（即经受荧光）或仅为体散射。当输入光线经受荧光时，所产生的光会以相同的概率发射成180度的锥角（即输入光线根据角度散射模型进行"散射"）。当输入光线通过荧光散射时，它会根据米氏分布(Mie distribution)进行散射。荧光（或不在"蓝色"波长范围内的任何其它输入光）也可根据米氏分布散射。DLL的输入包括荧光的平均自由路径、定义"蓝色"波长范围的波长范围，以及与米氏分布相关的粒子参数等。如欲了解更多详情，请参阅OpticStudio知识库中标题为"使用荧光对白色光源进行建模(Modeling a White Light Source using a Phosphor)"一文。源代码文件未随OpticStudio一起发布。

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