Solved

虹のシミュレーション

  • 13 September 2022
  • 1 reply
  • 167 views

Userlevel 2
Badge +1

自然現象で見られる虹を、OpticStudioにて再現できましたのでご紹介いたします。

icon

Best answer by Ryosuke.Niitsu 13 September 2022, 14:30

View original

1 reply

Userlevel 2
Badge +1

虹のような色彩を伴うシミュレーションを行います。

下図は今回のシミュレーションの結果です。

 

 

下の明るい虹が「主虹」と呼ばれております。上の薄い虹が「副虹」は呼ばれております。

その間の暗い部分は「アレキサンダーの暗帯」と呼ばれるそうです。

副虹は暗く、赤から紫への色の並びが、主虹とは逆となります。

 

まず、虹の基本的な原理を確認します。

虹は空気中の水滴による屈折と反射によって発生します。

 

空気中には水滴が浮かんでおります。

この水滴に太陽の光が入射すると、波長ごとに異なる方向に屈折します。

屈折したそれぞれの波長の光は、水滴内部にて鏡面反射(一部の光は通過します。)をして

再び空気中へ抜け出してきます。

 

虹を見る時、この空気中に抜け出してきた光を観測することとなります。

この現象をノンシーケンシャルにて再現すると下図のようになります。

 

左上に太陽光として光源を設置しました。

光源には黒体放射を指定しています。

温度は太陽と同じく6000ケルビンに設定しました。

波長は、0.4um~0.7umの間で100波長指定しています。

 

 

右側にある円形(球形)のオブジェクトは水滴を表しています。

光線はほとんどが水滴を透過します。

しかし、光線の一部は水滴の内部に侵入し、フレネル反射(反射率2%)したのちに

水滴の下部から射出されます。

これが主虹及びその下方の明るい領域を作り上げます。

 

水滴の内部に侵入した光線の一部は、2度反射して水滴から射出されます。

水滴内部の反射率は2%のため、2度反射された光は1度反射された光と比較すると、

2%しかエネルギーしかありません。

 

シミュレーションを行った結果は下記となります。

このままでは、暗闇に浮かぶ虹となるため、背景が青空となるようにオブジェクトを設置します。

青空とするオブジェクトの反射率は下記のように設定しました。

短波長側の反射率を高くしたため、青く色づきます。

※この反射率は実際の空気の散乱特性とは異なります。青空を模すために設定しました。

光線追跡を行うと下記の結果を取得できます。

 

Reply