在光学系统中，光的散射现象是不可避免的，尤其是在表面边界和体积内部。散射不仅会影响光的传播路径，还会影响光学系统的整体性能。Zemax OpticStudio提供了多种模型用于描述表面散射和体散射，帮助设计师在不同的应用场景中选择合适的散射模型。本文将对这些模型进行详细的总结和分类，以便光学设计师能够更好地理解和应用这些工具。
一、表面散射模型
在OpticStudio中，有多种模型可用于对表面散射进行建模。这些模型可以分为内置模型和用户定义的DLL模型，通常使用双向散射分布函数（BSDF）来描述散射特性。
1. **内置表面散射模型**
| 型号 | BSDF（英语） | 描述 |
|---|---|---|
| 朗伯蒂安 | BSDF = 1/π | 散射光线在投影平面上的任何位置具有相等的概率，导致散射强度与入射角无关。 |
| 高斯 | BSDF（x） = A*exp[- | x |
| ABg | BSDF（x） = A/[B + | x |
2. **DLL表面散射模型**
| 型号 | BSDF（英语） | 描述 |
|---|---|---|
| 朗伯蒂安 | BSDF = 1/π | 与内置朗伯模型相同，用于说明如何编写DLL。 |
| TwoGaussian | 组合朗伯分布和高斯分布 | 用户指定朗伯散射和高斯散射中的能量分数。 |
| Gaussian_XY | 用概率分布P而不是BSDF来描述 | 表示沿投影平面上的轴的高斯分布。 |
| K相关性 | BSDF（x） = Aσ²cos(θi)cos(θs)/[1 + (B | x |
| RI_BSDF | BSDF由ASCII输入给出 | 用于对散射特性已通过实验测量的表面进行建模。 |
如果上述模型无法满足需求，用户可以参考“如何创建用户定义的散射函数”中的说明构建自己的DLL模型。
二、体散射模型
在OpticStudio中，同样提供了多种模型用于模拟体散射。这些模型也可以分为内置模型和用户定义的DLL模型，通常使用散射角的概率分布函数（P）来描述散射事件。
1. **内置体散射模型**
| 型号 | 概率分布 | 描述 |
| 型号 | 概率分布 | 描述 |
|---|---|---|
| 角度 | P（θ） = 1/2 | 散射到任何角度的概率都是恒定的，最大角度由用户输入。 |
2. **DLL体散射模型**
| 型号 | 概率分布 | 描述 |
|---|---|---|
| Bulk_samp_1 | P（θ） = 1/2 | 与内置角度模型相同，用于说明如何编写DLL。 |
| Poly_bulk_scat | P（θ） = ∑ciθi | 角散射分布由多项式表示，范围表示12阶多项式。 |
| Henyey-Greenstein_bulk | P（θ） = (1/4π)(1 - g²)/[1 + g² - 2gcos(θ)]³/² | 用小颗粒表征散射，适用于生物组织和星际尘埃云。 |
| 瑞利 | P（θ, λ） = 0.375*(1 + cos²θ)/λ⁴ | 通过小颗粒表征散射，按波长（~ λ⁴）进行。 |
| 三重 | 通过球形贝塞尔函数上求和得到的概率分布 | 表征粒径与波长的任意比率的散射，适用于大气中的散射。 |
如果上述模型无法满足需求，用户也可以使用提供的源代码作为起点来构建自己的DLL模型。
三、模型选择与应用
在选择适当的散射模型时，设计师需要考虑以下几个因素：
1. **光学系统的特性**
根据光学系统的特性，例如光源类型、材料特性和预期的光学效果，选择合适的散射模型。
2. **散射现象的性质**
不同的散射模型适用于不同的散射现象。比如，Henyey-Greenstein模型适用于小颗粒的散射，而瑞利模型适用于粒径远小于波长的情况。
3. **计算效率**
在复杂的光学系统中，计算效率也是一个重要的考虑因素。选择简单的模型可以提高计算速度，而复杂的模型则可能提供更精确的结果。
4. **实验数据的可用性**
如果有实验数据可供参考，可以选择RI_BSDF模型来直接输入测得的散射特性。
四、总结
Zemax OpticStudio中提供了多种表面散射和体散射模型，帮助光学设计师在不同的应用场景中进行有效的散射模拟。内置模型和用户定义的DLL模型各具特点，设计师可以根据实际需求选择合适的模型进行建模。通过合理的模型选择和参数设置，可以显著提高光学系统的性能和准确性。对于更复杂的散射现象，用户还可以参考OpticStudio的帮助文档和相关知识库，深入了解模型的实现和应用。
