如何有效的模拟散射？

概要

OpticStudio中，有两个用来提升散射模拟效率的工具：Scatter To List以及Importance Sampling。在这篇文章中，我们详细讨论了这两个工具，并且以一个杂散光分析为例示范了如何使用Importance Sampling。

如何有效的模拟散射

对于绝大多数光学系统进行散射模拟是非常重要的，尤其在杂散光分析中散射模拟更是关键所在。Zemax OpticStudio有很多内建散射模型，这些模型支持使用者输入任何散射分布。在非序列光线追迹中，需要使用非常多的光线射向模拟物件才能精确而适当的模拟散射分布。特别是当观察目标相对于散射点占据的立体角很小时，这个问题会更加严重。最简单直接的办法就是增加入射或是散射的光线数量使更多的光线到达要观察目标。但是追迹更多光线会需要更多的时间，因此模拟散射就变的非常费时。

在OpticStudio中，我们可以使用“Scatter To List”来改进散射模拟效率，此设定强制系统只追迹那些散射到指定物件的光线而忽略其他光线。不过这并不是说光线一定会散射到指定物件上，因此对于大量光线模拟这种方法并不能改善太多。另一个OpticStudio中的“Importance Sampling”设定，则可以大幅地增进散射模拟的效率。这两个工具都可以在Object Properties的Scatter To标签中找到。

Importance Sampling原理上与Scatter To List大不相同。如果我们在Importance Sampling中加入一个物件，OpticStudio则会以这个物件为中心画出一个虚拟的球体，然后所有的散射光将只会往这个球体过去。OpticStudio还会考虑散射分布，调整这些光线的权重，让被照物体的散射光通量合理分布，这可以让信噪比提升。当然，使用者可以自定义目标的虚拟球体的大小，以决定散射光要应用的立体角大小。

在下面的系统中，一道光束入射到一个Lambertian散射的平面上，可以看到散射光线形成一个半球。即使每条入射光线有多达10条散射光线，还是只有一小部分的散射光才能击中探测器。

但是如果我们开启Importance Sampling，如下图，就会有大量的光线到达探测器。