散射的案例
Ansys Zemax | 如何使用米氏散射模型模擬環境中的散射現象
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這篇文章描述了如何在 OpticStudio 中建立 DLL 米氏散射（Mie scattering）模型。下方鏈接的范例文件演示了如何以該模型進行散射的模擬。范例系統包含了兩個不同結構。結構1模擬了光線入射空氣中的水滴后，在散射時達到瑞利極限（Rayleigh limit）的現象。結構2則模擬了光線在較大的粒子中發生散射時的情形，此時光學現象的討論由瑞利極限轉變為米氏散射的范疇。
簡介
根據麥克斯韋方程式，光線入射球型粒子會產生散射的現象，而米氏散射理論為此提供了解析解。此理論可推廣至任意大小的粒子，因此可適用在所有"粒子半徑對入射波長比"的情況。這對于模擬白云中的散射現象1時很有幫助，同時也有助于解釋光線入射特定物質，如牛奶和生物組織時所產生的變化。在 OpticStudio 的非序列模式中，我們可以用體散射（bulk scattering）的追跡方式建立這類的模型。此外，Bohren 和 Huffman 的研究為此現象的模擬提供了計算的依據。
這篇文章將說明模型在模擬系統中的表現，同時也會以一個大氣中的散射現象作為例子，此模擬將運用到米氏理論的 DLL 。
參數模擬
為了在非序列模式中的對象上套用米氏散射分布的設定，如下圖所示，我們需先開啟該物件的屬性字段（Object Properties），并在下方的 Volume Physics 項目中勾選 DLL 定義散射（DLL Defined Scattering），最后在 DLL 字段選擇 MIE.DLL。
為了使這個 DLL 正常運行，我們需要輸入5項參數。
折射系數
我們在這個字段設定散射粒子的折射系數（實數部分），而環境介質的折射系數，則是在材質（Material）欄位設定。
展開 23，用comsol求解米氏散射公式，納米球的散射問題 ￥2500
<p>對于球形納米顆粒被平面光照射后的散射問題，前人mie已經給出了精確的數值解析解來求解散射效率，消光效率，吸收效率，我簡稱mie散射公式/米氏散射公式。其他形貌（金棒形，金納米星形，正方形等等）不適用mie散射公式。</p><p>在之前第二篇文章的文獻中，作者已經給出米氏散射公式如下<img src="https://img.jishulink.com/upload/202304/9c6cb860894a4aafbf373876c4ba6f18.png" alt="捕獲.png"></p><p>作者對比了用 comsol波動光學模塊 和 米氏解析解 求解出的散射效率，發現二者吻合，從而證明確實用波動光學模塊計算出的結果正確。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202304/42d7ce04673649fb8191262b7608080d.png" alt="捕獲.png"></p><p><br></p><p>那么我現在也用comsol求解了上述的米氏散射公式，我用三種方法求解消光，散射效率：（1）波動光學模塊。（2）在comsol中手動敲入米氏散射公式。（3）用comsol內置好的米氏散射公式函數。發現三者求解的結果一致，能復現出論文，如下圖所示，證明了對散射，消光效率求解的正確性。
展開 基于comsol的Mie散射納米顆粒模型，求解吸光、散射、消光和雷達截面 ￥1800
米氏不同于瑞利散射呈對稱狀分布，而是散射在光線向前的方向比向后的方向更強，方向性比較明顯。 當顆粒直徑較大時，米氏散射可近似為<a href="https://baike.baidu.com/item/%E5%A4%AB%E7%90%85%E7%A6%BE%E8%B4%B9%E8%A1%8D%E5%B0%84" rel="noopener noreferrer" target="_blank">夫瑯禾費衍射</a>。當大氣中粒子的直徑與輻射的波長相當時發生的散射稱為米氏散射，如云霧的粒子大小與紅外線(0.7615um)的波長接近，所以云霧對紅外線的輻射主要是米氏散射。是故，多云潮濕的天氣對米氏散射的影響較大。 Mie提出的米氏散射理論是對于處于均勻介質的各向同性的單個介質球在單色平行光照射下，基于麥克斯韋方程邊界條件下的嚴格數學解。100多年來，米氏散射理論得到了很大發展，適用范圍逐漸推廣。如顆粒形狀推廣到多層的各項同性介質球和折射率漸變的各向同性介質球；無限長圓柱形顆粒（折射率按柱面分布）。入射光束從很寬的平行光束推廣到高斯光束和其他有形光束（shaped beam），稱為廣義米氏理論（GLMT）。廣義米氏理論還可推廣到橢球散射體。</p><p>RCS：Radar-Cross Section（雷達散射截面積）指的是目標輻射等效面積σ，等于目標總的后向散射功率P與雷達發射機在目標處的入射功率密度Q之比。RCS：Radar Cross-Section（雷達散射截面積）雷達目標和散射的能量可以表示為一個有效面積和入射功率密度的乘積，這個面積通常稱為雷達散射截面積。</p><p>（轉載至：百度百科）</p><p>本次模型采用遠場散射場，求解了納米顆粒的米氏散射的各類散射截面積隨頻率的變化。
展開 Ansys Zemax | 如何通過 K-相關分布模擬表面散射
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本文旨在介紹如何在OpticStudio中模擬K-相關分布散射模型，并用實例分析將該模型與Harvey-Shack (ABg) 散射分布模型進行了比較。
簡介
表面微粗糙度引起的散射通常具有 K-相關模型 (K-correlation model) 的特征。該模型除了在小散射角區域有所不同外，與 Harvey-Shack (ABg) 模型十分相似。
在 OpticStudio 中，如果用戶想要使用K-相關散射模型對表面散射分布進行建模，則需要輸入大量的參數，并且這些參數都必須由用戶測量。
本文將概述 K-相關散射模型背后的理論知識，并展示在OpticStudio中建模的實例。
K- 相關散射模型
K- 相關模型的雙向散射分布函數 (BSDF) 由 Dittman2 提供：
其中s是有效的 RMS 表面粗糙度，s 是在高空間頻率中 BSDF 的 log-log 斜率，β 則被定義為散射角 (?s) 的正弦減去鏡面反射角/透射角的正弦，上面的公式中的 β對應 OpticStudio 中的向量x：
我們發現 K-相關散射分布模型與 Harvey-Shack (ABg) 散射模型非常相似。它們之間的主要區別在于 K-相關模型在小散射角度時會有偏移：
圖1：K-相關與 Harvey-Shack 散射模型的比較。如 Dittman 所述，K-相關模型在小角度處會有偏移，這與在拋光表面上觀察到的散射行為一致。
Dittman 指出這種偏移與在許多拋光表面上觀察到的散射行為是一致的。
K-相關模型的 BSDF 不能進行解析積分，但在 OpticStudio 中可以運用蒙特卡羅功能來實現這種散射分布的模擬。
展開 
FRED案例展示：重點采樣技術--散射方向關注的區域簡介
散射方向關注的區域（Scatter Direction Regions of Interest）是有效散射計算的主要部分。它們可以將散射光線引導到只關注的區域。在產生散射光線時，FRED評估由散射方向關注的區域所朝向的立體角，并處理輻射度，以便于基于BSDF散射模型可以計算正確的通量。本文提供了一個分步過程，用于定位和確定最大效率的散射方向關注區域的大小。
圖1：在光學表面上具有散射方向關注的區域的庫克三片式鏡頭的光線追跡
散射方向關注的區域在每個表面（Surface）對話框的散射（Scatter）選項卡上指定，如圖2所示。多個散射方向關注的區域可以分配給任何給定表面。然而，應注意不要給表面分配重疊的多個散射方向關注的區域，因為FRED將不會辨別這種重疊，因此散射通量將被過度估算。
圖2：指定散射方向關注的區域的表面散射標簽
所有表面在創建時都分配有默認的散射方向關注的區域。該默認值的類型是散射到給定方向（Scatter into a given direction），如圖3所示，其散射到圍繞給定方向朝向給定半角的錐形。方向矢量可以在任何坐標系中指定。有關散點方向關注區域類型的完整列表，請參閱FRED的幫助主題-重點采樣（Importance Sampling）。
圖3：默認重點采樣
根據其中發生散射的光學空間，存在兩種關注的一般情況。首先，考慮準直空間的情況，其包括外部平坦窗口，以及無焦和重新成像光學器件之間的中間空間。在這種空間中，探測器表面尺寸和位置由其尺寸和系統視場（FOV）決定。因此，準直空間中最有效的散射方向關注的區域類型是默認的散射到給定方向，同時設置適當的角度。
圖4：閉合曲線散射方向關注的區域
接下來，考慮光學系統內的光束在其中會聚或發散的區域。
展開 Ansys Zemax｜如何有效地模擬散射
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概要
OpticStudio中，有兩個用來提升散射模擬效率的工具：Scatter To List以及Importance Sampling。在這篇文章中，我們詳細討論了這兩個工具，并且以一個雜散光分析為例示范了如何使用Importance Sampling。
如何有效的模擬散射
對于絕大多數光學系統進行散射模擬是非常重要的，尤其在雜散光分析中散射模擬更是關鍵所在。Zemax OpticStudio有很多內建散射模型，這些模型支持使用者輸入任何散射分布。在非序列光線追跡中，需要使用非常多的光線射向模擬物件才能精確而適當的模擬散射分布。特別是當觀察目標相對于散射點占據的立體角很小時，這個問題會更加嚴重。最簡單直接的辦法就是增加入射或是散射的光線數量使更多的光線到達要觀察目標。但是追跡更多光線會需要更多的時間，因此模擬散射就變的非常費時。
在OpticStudio中，我們可以使用“Scatter To List”來改進散射模擬效率，此設定強制系統只追跡那些散射到指定物件的光線而忽略其他光線。不過這并不是說光線一定會散射到指定物件上，因此對于大量光線模擬這種方法并不能改善太多。另一個OpticStudio中的“Importance Sampling”設定，則可以大幅地增進散射模擬的效率。這兩個工具都可以在Object Properties的Scatter To標簽中找到。
Importance Sampling原理上與Scatter To List大不相同。如果我們在Importance Sampling中加入一個物件，OpticStudio則會以這個物件為中心畫出一個虛擬的球體，然后所有的散射光將只會往這個球體過去。
展開 基于聲固耦合的水下復雜目標聲散射研究
由于計算結果代表了模型在一組特定頻率下的散射聲壓級, 結果表明兩者均在低頻處產生了比較高的峰值, 且考慮艙室結構后其對于低頻信號激勵后的響應更加劇烈, 結構之間的相互影響加大。下面考慮聲波在不同垂直方向角度的入射情況, 仿真在0°和45°入射平面波時, 其距離艇艏前10 m處的散射聲壓級曲線如圖10和圖11所示。由圖可知, 仿真后的不同垂直方向角的改變對于模型聲散射的影響在于低頻響應的微弱改變, 對于散射聲壓級曲線的大體趨勢影響不大。
圖10 45°入射散射曲線
圖11 0°入射散射曲線
接下來考慮正橫方向入射時目標的散射聲場情況, 建立潛艇縱切面模型, 如圖12所示。
圖12 潛艇橫切面模型
所建立模型直徑8 m, 外殼以及支撐桿為不銹鋼耐壓殼, 厚度為1 m, 內殼為鈦合金材料, 材料屬性同上文。對比水平方向角0°與90°的聲散射仿真結果如圖13所示。
圖13 水平方向角0°與90°的聲散射仿真結果
由圖13可以發現, 在以90°水平角入射時, 也就是在正橫方向, 對更多低頻的信號響應明顯, 且散射聲強加大, 結構之間相互影響力增加。
3 結束語
文中通過ANSYS和COMSOL針對同一模型的仿真對比, 驗證了COMSOL在復雜形狀目標數值仿真方面仍能保持有效性。隨后利用COM- SOL的PML以及多物理場耦合模塊仿真了大尺度下的精細艙室結構潛艇模型, 并與單殼體潛艇模型進行對比, 說明了艙室結構相對于單殼體在受迫振動上有一定的抑制作用且對于低頻激勵響應比較強烈, 為主動探測設備發展以及潛艇消聲提供了一定啟示。當然, 文中建立的仿真模型包括設立的PML只是為仿真潛艇艙室結構下的近場聲場環境。
展開 光學相干斷層掃描的上皮散射自發熒光強度校正——一個模型的研究
5.結論
我們進行了一項Intralipid模型研究，使用組合的AF-OCT系統模擬了熒光介質上覆蓋散射層的影響。對于不同的散射顆粒的濃度，呈現出隨著散射層厚度變化的AF損耗曲線。OCT成像用于計算散射層厚度和濃度，以及估計AF信號損耗所需的參數。模型用于從散射層引起的損耗計算AF信號衰減的校正因子。因此，結合AF-OCT系統能夠減少由于上皮組織增厚引起的假陽性，增強AF疾病檢測的功效。
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本文旨在介紹如何在OpticStudio中模擬K-相關分布散射模型，并用實例分析將該模型與Harvey-Shack (ABg) 散射分布模型進行了比較。
簡介
表面微粗糙度引起的散射通常具有 K-相關模型 (K-correlation model) 的特征。該模型除了在小散射角區域有所不同外，與 Harvey-Shack (ABg) 模型十分相似。
在 OpticStudio 中，如果用戶想要使用K-相關散射模型對表面散射分布進行建模，則需要輸入大量的參數，并且這些參數都必須由用戶測量。
本文將概述 K-相關散射模型背后的理論知識，并展示在OpticStudio中建模的實例。
K- 相關散射模型
K- 相關模型的雙向散射分布函數 (BSDF) 由 Dittman2 提供：
其中s是有效的 RMS 表面粗糙度，s 是在高空間頻率中 BSDF 的 log-log 斜率，β 則被定義為散射角 (?s) 的正弦減去鏡面反射角/透射角的正弦，上面的公式中的 β對應 OpticStudio 中的向量x：
我們發現 K-相關散射分布模型與 Harvey-Shack (ABg) 散射模型非常相似。它們之間的主要區別在于 K-相關模型在小散射角度時會有偏移：
圖1：K-相關與 Harvey-Shack 散射模型的比較。如 Dittman 所述，K-相關模型在小角度處會有偏移，這與在拋光表面上觀察到的散射行為一致。
Dittman 指出這種偏移與在許多拋光表面上觀察到的散射行為是一致的。
展開 Ansys Zemax | 如何模擬部分反射和散射的表面
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。
ZEMAX | 如何通過 K-相關分布模擬表面散射
本文旨在介紹如何在OpticStudio中模擬K-相關分布散射模型，并用實例分析將該模型與Harvey-Shack (ABg) 散射分布模型進行了比較。
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簡介
表面微粗糙度引起的散射通常具有 K-相關模型 (K-correlation model) 的特征。
1 該模型除了在小散射角區域有所不同外，與 Harvey-Shack (ABg) 模型十分相似。
在 OpticStudio 中，如果用戶想要使用K-相關散射模型對表面散射分布進行建模，則需要輸入大量的參數，并且這些參數都必須由用戶測量。
本文將概述 K-相關散射模型背后的理論知識，并展示在OpticStudio中建模的實例。
K- 相關散射模型
K- 相關模型的雙向散射分布函數 (BSDF) 由 Dittman
2 提供：
其中s是有效的 RMS 表面粗糙度，
s 是在高空間頻率中 BSDF 的 log-log 斜率，β 則被定義為散射角 (?s) 的正弦減去鏡面反射角/透射角的正弦，上面的公式中的 β對應 OpticStudio 中的向量x：
我們發現 K-相關散射分布模型與 Harvey-Shack (ABg) 散射模型非常相似。它們之間的主要區別在于 K-相關模型在小散射角度時會有偏移：
圖
1
：
K-
相關
與
Harvey-Shack
散射模型的比較。如
Dittman
所述，
K-
相關模型在小角度處會有偏移，這與在拋光表面上觀察到的散射行為一致。
Dittman 指出這種偏移與在許多拋光表面上觀察到的散射行為是一致的。
展開 
前沿 | 自匹配光源編碼的散射介質信息傳遞微通道
目前為止，光學成像的實際應用都集中在自由空間、透明介質或者弱散射環境下，云、霧、渾濁溶液、生物組織等散射介質仍然是光學成像難以逾越的障礙。數十年以來，科研人員嘗試了諸多方法克服散射對光學成像的影響，發展出了光學相位共軛、波前整形、散射矩陣測量、點擴散函數（PSF）卷積、散斑自相關等方法，各類輔助算法也蓬勃發展。但成像所能提升的透視能力并沒有質的飛躍，大多仍然停留在對薄的散射介質進行原理演示驗證的層面。另一方面，廣泛存在的散射現象對交通、遙感、醫療、科研等社會活動的方方面面造成嚴重制約，亟待增進了解和消除或者解決。
論文導讀
成像的本質是信息的傳遞，信息論研究的是一維時間信息的傳遞，而成像是二維信息從物面傳遞到像面。信息傳遞的要素包括信源、信道和信宿，分別對應于目標物、成像光學系統、探測和圖像重建系統。以透鏡成像系統為例，信源是物面上的圖案，像面對應著信宿，信道則是物面和像面之間的自由空間及透鏡所組成的結構和通道。在這樣的模式中，物面和像面之間是點到點的映射關系，成像系統提供了映射通道。在相干\非相干照明下，信息對應于波前\光強分布，而波前\光強分布在系統中傳遞的過程可以被準確描述。換句話說，信道的結構和傳輸特性已知，其中成像質量，如視場和分辨率等，決定于信道特性。因而，了解和優化信道是提升成像能力的關鍵。在透過散射介質成像場景下，散射介質構成了信息傳遞的通道（也即信道），但由于光在散射介質內傳播過程由于大量的散射難以描述，信道的結構和特性未知，一般被視為“黑匣子”。
展開 Ansys Zemax | 如何模擬部分反射和散射的表面
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。
展開 JCMsuite應用：散射體的光學手性響應
在JCMsuite中，利用光學手性的形式和內置的手性參量可以計算光散射體的手性響應。結果表明，時間諧波光學手性密度服從局部連續性方程[1]。這使得手性行為的分析類似于研究電磁能量的標準消光實驗。
在電磁能量的情況下，消光由散射和損失[2]組成。對應的手性參量是光學手性的消光散射，以及體積和界面上的手性轉換。這就得到了守恒定律
積分是在散射體的外表面?Ω和體積Θ以及表面?Θ上進行的。
這些參量在JCMsuite中命名，如下表所示。更多細節可以在這里找到。
作為案例展示，我們計算散射體的手性響應如下圖所示：
它的直徑是一個波長的量級，它的介電常數固定為ε=4.5。在下面，我們將改變散射體的磁導率μ，并觀察預測的對偶對稱性[3]對于恒定比率ε/μ的散射體及其環境。周圍的材料是ε=μ=1的空氣。
由于散射體是無損的和各向同性的，在它的體積內將沒有轉換。請參考四分之一波片的案例，以獲得更多關于體積轉換的信息。
在這里，所需的參量被計算為如上所述的電磁手性通量的通量積分。如下圖所示，對于接近對偶對稱的材料，轉換趨向于零。
在固定介電常數ε=4.5下，散射體的磁導率μ的變化。
該散射體是對偶的ε/μ=1，產生零手性轉換。
在JCMsuite中，所有手性密度都是相似的。例如，我們在下面的圖中展示了增強的近場光學手性密度的電子部分。這是一個后處理過程，即ExportFields：輸出參量電手性密度。
具有ε/μ=1的雙散射體的光手性密度X的近場增強
參考文獻
[1] Philipp Gutsche, Lisa V.
展開 中科院合肥研究院田興友研究員團隊提出一整套利用小角X射線散射表征高分子片晶新方法
散射模式和強度在表征結晶有序的寬角區轉變到表征片晶有序的小角區時的轉變。
研究人員發現，X射線散射在從表征結晶有序的寬角區轉變到表征片晶有序的小角區時發生了兩個重大變化。其一，對于一定長度的晶面，由于波矢變小，布拉格條件不像在寬角區一樣嚴格。在寬角區，一個晶面只對一個點的散射有貢獻。而在小角區，一個晶面甚至會對整個小q區的散射有貢獻。其二，散射模式發生變化。寬角X射線衍射研究的晶面往往與非晶/晶體間的界面有較大的夾角，屬于非對稱布拉格散射。而要從小角散射獲取片晶厚度、長周期等信息，必須研究界面間的干涉。這種情況下的散射屬于對稱布拉格散射，可能發生全反射。當發生全反射時，入射X射線不能進入片晶簇內部誘導電子散射，其誘導電子散射的角色由倏逝波代替。由于倏逝波衰減速度快，散射強度也會快速衰減，運動學理論不再適用。
通過計算發現，在透射模式下存在倏逝波誘導小角散射的可能性，且倏逝波誘導的小角散射強度遠大于入射波直接誘導的散射強；其界面電子散射才是高分子片晶體系小角散射信號的主要來源。由此，科研人員對高分子片晶體系提出了一個新的小角X射線散射圖像。相關結果發表在國際晶體學聯合會會刊IUCrJ (IUCrJ, 6, 968–983(2019))上。
在此基礎上，研究人員進一步探討了利用小角散射獲取片晶厚度、長周期和橫向尺寸等結構信息的方法。理論上來說，片晶厚度和長周期信息隱藏在界面電子散射的結構因子，對其進行傅里葉變換即可得到；橫向尺寸信息隱藏在形狀因子中，對其進行對數變換也可以獲取。
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