先來看一張效果圖。

下面的亮彩虹被稱為“主彩虹”。 上面的薄彩虹被稱為“副彩虹”。

據(jù)說，中間的黑暗部分被稱為“亞歷山大的暗帶”。

副彩虹較暗，從紅色到紫色的顏色排序與主彩虹相反。

 

首先，我們來看看彩虹的基本原則。

彩虹是由空氣中的水滴折射和反射引起的。

 

水滴漂浮在空氣中。當(dāng)太陽光進(jìn)入水滴時(shí)，不同的波長就會(huì)向不同的方向折射。

每個(gè)折射波長的光在水滴內(nèi)部進(jìn)行鏡面反射后進(jìn)入空氣中。

 

當(dāng)你看到彩虹時(shí)，你觀察了進(jìn)入空氣中的光。

如果以非序列重現(xiàn)此行為，則如下圖所示。

 

 

用以模擬陽光的光源放置在左上角。光源的光譜設(shè)置為黑體輻射光譜。黑體輻射溫度設(shè)置為 6000 開爾文，就像太陽一樣。

波長指定 100 波長，介于 0.4um 和 0.7um 之間。

 

右側(cè)的圓形（球形）對(duì)象表示水滴。光線幾乎透過水滴。但是，當(dāng)光線的一部分進(jìn)入水滴內(nèi)部并產(chǎn)生菲涅爾反射時(shí)，（反射率 2%），會(huì)從水滴的底部射出。這創(chuàng)造了主彩虹及其下方的明亮區(qū)域。

 

部分進(jìn)入水滴內(nèi)部的光線在水滴中發(fā)生兩次反射后射出。

由于水滴內(nèi)部的反射率為 2%，因此兩次反射的光與反射一次的光相比，能量比較弱，只有2%。

 

模擬結(jié)果如下。

 

到這里彩虹的仿真就結(jié)束了。接下來我們給彩虹加上一個(gè)藍(lán)天的背景。這個(gè)有多種實(shí)現(xiàn)方式。這里·我們選擇給仿真藍(lán)天的物體設(shè)置反射率。

 

由于短波長側(cè)的反射率較高，因此顏色為藍(lán)色。

* 這種反射率與實(shí)際空氣的散射特性不同。 這里取巧設(shè)置。更加精確的仿真可以參考這一篇：

How to simulate atmospheric scattering using a Mie model – Knowledgebase (zemax.com)

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