Ansys Zemax光電軟件技術(shù)教程：照明設(shè)計(jì)中實(shí)用的光學(xué)模擬方法

光之友

本課程介紹了照明設(shè)計(jì)中不同的光學(xué)模擬方法。您將學(xué)習(xí)如何按照光線追跡的方式來(lái)設(shè)置系統(tǒng)，以獲得最佳的設(shè)計(jì)結(jié)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(jì)算來(lái)確定。在實(shí)際應(yīng)用中，許多光學(xué)現(xiàn)象都會(huì)對(duì)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?cè)谠O(shè)計(jì)和模擬照明系統(tǒng)時(shí)，需要考慮到這些光學(xué)現(xiàn)象。對(duì)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(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)的評(píng)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(zhǎng)
  • 不考慮衍射
    
• Ray追跡
  • 光線始于光源
  • 當(dāng)光線擊到表面上時(shí)，產(chǎn)生反射和折射改變了光線的屬性（方向、能量）
  • 當(dāng)光線沒(méi)有擊到表面上或者光線能量低于閾值時(shí)，光線追跡就會(huì)結(jié)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(gè)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(shè)計(jì)中常用非序列分析。一束光線中有位置、方向、能量和波長(zhǎng)或顏色信息。對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)的模擬，我們使用多束光的統(tǒng)計(jì)分析表現(xiàn)來(lái)得到我們的結(jié)果。光線的隨機(jī)性是通過(guò)每條光線的分布、設(shè)置的光線方向、能量和波長(zhǎng)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(jī)分布的。一束光線中只包含整個(gè)光源的一部分信息，如果我們沒(méi)有使用足夠的光線進(jìn)行分析就會(huì)導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)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(jì)算速度。

照明設(shè)計(jì)中可能用到的模擬方法

照明系統(tǒng)的模型越精確，模擬結(jié)果越精確：

• 光源：角分布、空間分布、光譜分布、近場(chǎng)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(xué)屬性：光學(xué)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(jì)算機(jī)代碼只做程序告訴它要做的事情一樣，光線追跡的結(jié)果只按照我們的設(shè)置呈現(xiàn)。結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于我們建立的模型，以及我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中對(duì)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(xì)節(jié)可能是浪費(fèi)時(shí)間，設(shè)計(jì)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(fù)雜，但是光源的漫反射特性和建模在設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的。

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