模拟偏振敏感的散射过程

概述

这篇文章介绍了如何在OpticStudio中使用一个自定义的DLL模拟偏振敏感的体散射和荧光现象。该散射模型由MSP.DLL文件定义，它考虑了非序列模式下入射光的偏振属性，模拟了散射对光线的传播方向和偏振态的影响，并且该模型还可以用来模拟考虑米氏散射 (Mie Scattering) 的荧光现象。在模拟生物成像时，考虑荧光以及偏振敏感的散射现象是十分重要的。最后，本文还总结了基于MSP.DLL体散射模型的7个应用示例。

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介绍

在很多应用情况中，模拟光线在浑浊介质中的散射作用是十分重要的，例如遥感、水下成像以及在大气湍流印象下成像等。其中，在模拟生物成像时尤为重要，这是因为在生物成像系统中，光线经常需要传播穿过浑浊的介质或具有散射性质的样本。使用OpticStudio的非序列模式可以方便快捷的对这些现象进行建模，在OS中提供了很多严谨有效的体散射模型以及示例成像系统。本文简单介绍了使用MPS.DLL散射模型模拟米氏散射中的偏振效应，更多使用信息请参考文献[1]。

模拟散射

当光线入射到一个浑浊的介质时主要发生两种效应：吸收和散射[2]。我们可以使用蒙特卡洛方法使用光线对光束进行采样，这些光线在穿过浑浊样本时会发生吸收和散射现象。其中，样本的光学参数决定了光线在穿过时发生吸收或散射的概率。

在OpticStudio中模拟吸收现象的其一种方法是根据Beer-Lambert定理对光线的光强进行衰减，其中z是光线在介质中传播的距离，μa是吸收系数。下图演示了光的吸收效应，其中上图为宏观下的输入光束，下图为蒙特卡洛模拟光线追迹：

光束由N根光线表示（本例中光线在截面上随机分布），并且每根光线的强度Iray等于光束的总光强I除以光线根数N。每根光线在穿过介质时都会产生吸收，衰减率由exp(-zμa)决定。

当散射发生时，光线的强度保持不变，但是光的传播方向因散射而改变。这会造成光线从入射光束中偏离进而使入射光发生损耗。在本例中，散射造成衰减率由exp(-zμs)决定，其中散射系数μs为平均自由程的倒数，用以表征散射发生的概率，如下图所示：