概述

這篇文章介紹了如何在OpticStudio中使用一個(gè)自定義的DLL模擬偏振敏感的體散射和熒光現(xiàn)象。該散射模型由MSP.DLL文件定義，它考慮了非序列模式下入射光的偏振屬性，模擬了散射對(duì)光線的傳播方向和偏振態(tài)的影響，并且該模型還可以用來模擬考慮米氏散射 (Mie Scattering) 的熒光現(xiàn)象。在模擬生物成像時(shí)，考慮熒光以及偏振敏感的散射現(xiàn)象是十分重要的。最后，本文還總結(jié)了基于MSP.DLL體散射模型的7個(gè)應(yīng)用示例。

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介紹

在很多應(yīng)用情況中，模擬光線在渾濁介質(zhì)中的散射作用是十分重要的，例如遙感、水下成像以及在大氣湍流印象下成像等。其中，在模擬生物成像時(shí)尤為重要，這是因?yàn)樵谏�物成像系統(tǒng)中，光線經(jīng)常需要傳播穿過渾濁的介質(zhì)或具有散射性質(zhì)的樣本。使用OpticStudio的非序列模式可以方便快捷的對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行建模，在OS中提供了很多嚴(yán)謹(jǐn)有效的體散射模型以及示例成像系統(tǒng)。本文簡(jiǎn)單介紹了使用MPS.DLL散射模型模擬米氏散射中的偏振效應(yīng)，更多使用信息請(qǐng)參考文獻(xiàn)[1]。

模擬散射

當(dāng)光線入射到一個(gè)渾濁的介質(zhì)時(shí)主要發(fā)生兩種效應(yīng)：吸收和散射[2]。我們可以使用蒙特卡洛方法使用光線對(duì)光束進(jìn)行采樣，這些光線在穿過渾濁樣本時(shí)會(huì)發(fā)生吸收和散射現(xiàn)象。其中，樣本的光學(xué)參數(shù)決定了光線在穿過時(shí)發(fā)生吸收或散射的概率。

在OpticStudio中模擬吸收現(xiàn)象的其一種方法是根據(jù)Beer-Lambert定理對(duì)光線的光強(qiáng)進(jìn)行衰減，其中z是光線在介質(zhì)中傳播的距離，μa是吸收系數(shù)。下圖演示了光的吸收效應(yīng)，其中上圖為宏觀下的輸入光束，下圖為蒙特卡洛模擬光線追跡：

光束由N根光線表示（本例中光線在截面上隨機(jī)分布），并且每根光線的強(qiáng)度Iray等于光束的總光強(qiáng)I除以光線根數(shù)N。每根光線在穿過介質(zhì)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生吸收，衰減率由exp(-zμa)決定。

當(dāng)散射發(fā)生時(shí)，光線的強(qiáng)度保持不變，但是光的傳播方向因散射而改變。這會(huì)造成光線從入射光束中偏離進(jìn)而使入射光發(fā)生損耗。在本例中，散射造成衰減率由exp(-zμs)決定，其中散射系數(shù)μs為平均自由程的倒數(shù)，用以表征散射發(fā)生的概率，如下圖所示：