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[其他] FRED应用:涂层与散射的能量守恒

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发表于 2022-10-8 09:32:04 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 重庆
简介

在光线追迹的过程中,光线遇到的表面可能具有反射、透射、吸收和散射特性的组合,它能将光线分裂成多种不同的组成部分。FRED通过以特定的顺序查看这些表面属性来给每一束光线分配光通量值。用户需要了解这一顺序,并坚信在光线追迹中创建的通量值符合您的预期。本文就一个具有Lambertian散射特性以及用户定义好的镜向反射系数的表面来进行演示。

说明

根据指定的模型,入射到表面上的一束光可以被分成镜向反射光、镜向透射光、后向散射光、前向散射光和吸收光。

在这一过程中,能量守恒表明:这些透射、反射和吸收的总和等于入射功率通量。



FRED以特定的顺序给上述方程的每个部分分配通量。当用户希望定义一个同时具有散射特性以及指定的反射/透射涂层的表面时,知道这一顺序对于正确定义每个部分的功率系数是至关重要的。

FRED在功率分配的过程中遵循的顺序如下所示:

实例

顺序的重要性可参考一个简单的例子,该例的目标是定义一个具有如下属性的表面:
a)一个简单的散射模型,在Lambertian分布中定义了15%的反射率。
b)一个反射涂层,定义了55%的镜向反射。
(假设剩余的30%功率被吸收了)


图1. 实例表面


分配一个新的Lambertian散射模型,并定义明确给出了TIS值(TIS=0.15)。


图2. Lambertian散射模型设置对话框


在本例中Refl系数设置为0.15,即入射功率的15%。这是上述方程中TISbackscat分量值。

定义反射通量需要多费点心。由于目标是定义一个在镜向反射方向能够反射55%的入射功率的表面,似乎假定设置涂层的反射系数(R)为0.55就足够了。然而这并不正确,实际上这将会定义一个镜向反射值为46.75%的模型。

这是因为FRED已经将入射通量的15%分配给了散射模型。反射系数0.55实际上是考虑过散射之后的剩余功率值。

55% * (1 – 0.15) = 46.75%

要获得一个55%*Finc反射的散射通量,涂层的反射系数(R)由上述的方程(c)决定,在本例中计算得到:

Frefl = (1 – TISbackscat)*R* Finc
0.55 = (1 – 0.15) *R
因此R值是0.6470588235294。


图3. 样本涂层设置对话框

验证
测试该设置相当简单,可以定义一个简单的模型,模型中包含一个光源、一个具有期望涂层和散射特性的平面、“Allow All”光线追迹控制(检查好所有允许的光线操作)和具有合适光滤光器的DAE分析面。


图4. 包含DAE分析面的FRED模型

DAE滤光器允许用户分别确定镜向反射功率和后向散射功率的贡献值。此时FRED会在极坐标网格上计算强度值,通过查看自动显示在输出窗口上的积分功率来进行验证。



图5. DAE光滤光器:(左)只考虑镜向反射光,(中)只考虑散射光,(右)只考虑吸收光


下图显示的是对于这三种光光器的积分功率值。


图6a. 当只考虑镜向反射光的时总的积分功率



图6b. 当只考虑后向散射光时总的积分功率



图6c. 当只考虑吸收光时总的积分功率

应该注意的是,总和等于1,因为这些是该模型中定义的唯一运算,因此这些分量之间是守恒的。

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