Ansys Zemax光電軟件技術教程：照明設計中實用的光學模擬方法

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本課程介紹了照明設計中不同的光學模擬方法。您將學習如何按照光線追跡的方式來設置系統(tǒng)，以獲得最佳的設計結果。

作者 Katsumoto Ikeda

理解照明系統(tǒng)中的光線追跡

透鏡的形狀很少僅靠分析計算來確定。在實際應用中，許多光學現(xiàn)象都會對光束產(chǎn)生影響，如菲涅耳損耗（偏振）、色散、材料吸收、漫反射。我們在設計和模擬照明系統(tǒng)時，需要考慮到這些光學現(xiàn)象。對于照明系統(tǒng)的非序列光線追跡，很少需要考慮衍射和干涉，但仍要對光學系統(tǒng)進行仔細的評估。

光線追跡理論：

• 將光看作一束光線
  • 光線具有位置、方向、能量、波長
  • 不考慮衍射
    
• Ray追跡
  • 光線始于光源
  • 當光線擊到表面上時，產(chǎn)生反射和折射改變了光線的屬性（方向、能量）
  • 當光線沒有擊到表面上或者光線能量低于閾值時，光線追跡就會結束
    
  
  

原理圖如下：

表示光線未忽略前的流程圖如下圖所示：

在模擬中我們需要考慮的幾個分布參數(shù)：

• 光源的角分布
• 光源的空間分布
• 光源的光譜分布
• 漫反射表面的漫反射分布
  

照明設計中常用非序列分析。一束光線中有位置、方向、能量和波長或顏色信息。對于光學系統(tǒng)的模擬，我們使用多束光的統(tǒng)計分析表現(xiàn)來得到我們的結果。光線的隨機性是通過每條光線的分布、設置的光線方向、能量和波長決定的。這種模擬光線的方法稱為“蒙特卡羅(Monte-Carlo)”模擬，即光線是隨機分布的。一束光線中只包含整個光源的一部分信息，如果我們沒有使用足夠的光線進行分析就會導致結果不準確。為了提高信噪比，我們需要提高分析光線的數(shù)量。使用多核CPU和GPU可以提高計算速度。

照明設計中可能用到的模擬方法

照明系統(tǒng)的模型越精確，模擬結果越精確：

• 光源：角分布、空間分布、光譜分布、近場分布。
• 系統(tǒng)中的三維物體：其形狀將決定光線的反射和折射。
• 材料：折射率、透射率，以及較小的材料的漫反射參數(shù)。
• 表面的光學屬性：光學表面的透射、反射和漫反射將決定光線與表面的相互作用。
  

正如計算機代碼只做程序告訴它要做的事情一樣，光線追跡的結果只按照我們的設置呈現(xiàn)。結果的準確性取決于我們建立的模型，以及我們在現(xiàn)實生活中對系統(tǒng)組件有多熟悉是非常重要的。另一方面，在建模中考慮太多的細節(jié)可能是浪費時間，設計者需要辨別哪些參數(shù)是模擬中必需的，哪些可以忽略。雖然很復雜，但是光源的漫反射特性和建模在設計中是至關重要的。

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