Zemax非序列光線追跡

1、非序列光線追跡非序列光線追跡是 ZemaxZemax 中的核心技術(shù)。它是用于在具有多個(gè)光學(xué)路徑的系統(tǒng)中對(duì)光線進(jìn)行追跡的一種強(qiáng)大通用技術(shù)。典型用例包括：1 1 .照明系統(tǒng)，尤其是具有多個(gè)或復(fù)雜光源的照明系統(tǒng)2 2 . .干涉儀這類系統(tǒng)，其中穿過(guò)幾個(gè)不同光學(xué)系統(tǒng)的光線必須以相干方式重組3 3 . .其他序列光學(xué)系統(tǒng)中的雜散光分析非序列范式是任何光線都沒(méi)有預(yù)定義路徑。光線射出并投射到光路中的任意物體上，隨后可能反射、折射、衍射、散射、分裂為子光線等。與序列光線追跡相比,這是一項(xiàng)更為通用的技術(shù)，因此在光線追跡速度方面要慢一些。在非序列元件編輯器中提供了物體列表。此列表中的物體順序沒(méi)有意義（對(duì)此有幾個(gè)例

2、外情況：有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)幾何形狀創(chuàng)建一節(jié)）。光線從光源物體開(kāi)始傳播，直至投射到某個(gè)物體上，在該點(diǎn)可能會(huì)部分反射、透射、散射或衍射：1:NSC3DLayout-叵I區(qū)UpdateSettingsPrintWindowcJ.ZoomNon-SequentialComponentEditorPolyObjectPRISM45.POBEditSolvesErrorsDetectorsDatabaseToolsViewHelpRefObjectSourceEllipsePclyObjectPRISM45.POBObjectTypeComment在此例中，大約 1%1%的能量被涂有 MgEMgE 的

3、N-BK7N-BK7 棱鏡面反射，大約 50%50%的能量被兩個(gè)棱鏡相接觸的直角斜邊面上的膜層反射/透射。系統(tǒng)會(huì)發(fā)起新光線（稱為“子”光線）以帶走這部分能量，從而生成能量在系統(tǒng)中的去向的完整視圖。物體ZemaxZemax 中的非序列光線追跡以三維物體為基礎(chǔ)。（注意：要求所有程序均支持非序列光線追跡是不現(xiàn)實(shí)的。）在 ZemaxZemax 中，非序列物體完全由定義該物體所需的所有表面組成。例如，標(biāo)準(zhǔn)透鏡物體由正面和背面、連接兩面的柱體和邊緣上的斜面組成。多數(shù) ZemaxZemax 物體均實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化，這表示這些表面通過(guò)下列等式進(jìn)行了定義。因此，創(chuàng)建和修改很方便，而且僅占用非常少的內(nèi)存空間。止匕外，

4、還可以進(jìn)行優(yōu)化并確定公差。有些 ZemaxZemax 物體未實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，如 CADCAD 物體。這些物體只是作為數(shù)據(jù)文件存在。由于 ZemaxZemax 將所有物體均視為三維體，而不是表面集合，所以很容易進(jìn)行光線追跡和管理大型 CADCAD 文件。基于表面的代碼可能需要成千上萬(wàn)個(gè)表面來(lái)表示復(fù)雜的 CADCAD 物體：在 ZemaxZemax 中，它就是一個(gè)物體。但是，不同的表面材料和膜層可應(yīng)用到一個(gè)物體的任何表面，不論使用多少 CADCAD 實(shí)體來(lái)予以表示。ZemaxZemax 支持 8080 多種物體，包括透鏡、非球面透鏡、棱鏡、全息圖、ZernikeZernike 物體、衍射光柵等。支持物

5、體的完整列表如下所示。止匕外，還有一系列“運(yùn)算符”物體，可以從現(xiàn)有物體生成復(fù)雜的幾何圖形。例如，您可以對(duì)本地 ZemaxZemax 物體執(zhí)行布爾運(yùn)算，形成任意物體數(shù)組，掃掠任意軸周圍的現(xiàn)有物體以新建物體。何形狀創(chuàng)建部分對(duì)此有詳盡說(shuō)明。而且，還可以為不存在適當(dāng)物體或不能從可用工具創(chuàng)建適當(dāng)物體的特殊情況創(chuàng)建自己的物體類型。將物體輸入非序列元件編輯器中。物體可相對(duì)于全局坐標(biāo)框架或任何其它物體放置。這樣就可以輕松定義子組件。物體可以重新定義為參考物體的任何其它物體框架，在定義位置提供全面的靈活性。編輯器也可用于為物體提供參數(shù)化數(shù)據(jù)。例如，如果使用透鏡物體，則每個(gè)表面的曲率半徑、厚度和光學(xué)材料就需要在編

6、輯器中進(jìn)行定義。通過(guò)電子表格函數(shù)（稱為解）可以“選取”參數(shù)數(shù)據(jù)，以便鎖定屬性。例如，在雙膠合透鏡中，第二個(gè)透鏡的第一個(gè)曲率半徑必須等于第一個(gè)透鏡的最后一個(gè)曲率半徑。跟隨解則簡(jiǎn)化了這一操作。還可以輕松實(shí)施更多復(fù)雜的解，從而可在電子表格編輯器中直接執(zhí)行計(jì)算。（請(qǐng)參見(jiàn)知識(shí)庫(kù)文章“如何創(chuàng)建用戶定義的解”,了解詳細(xì)信息）。創(chuàng)建和定位物體后，即可通過(guò)“物體屬性”對(duì)話框設(shè)置詳細(xì)屬性?？梢詰?yīng)用光學(xué)薄膜和表面散射函數(shù)，以及本體散射、梯度折射率、衍射屬性等。一般而言，數(shù)據(jù)會(huì)得到控制，而“屬性”對(duì)話框不會(huì)經(jīng)常改變，通過(guò)電子表格編輯器可以輸入更多的“定義”數(shù)據(jù)。幾何形狀創(chuàng)建有時(shí)，需要利用提供的物體創(chuàng)建更復(fù)雜的物體。例

7、如，您可能需要在一個(gè)物體中放置另一個(gè)物體。在這種情況下，規(guī)則很簡(jiǎn)單：必須首先在非序列組件編輯器中定義外層物體。無(wú)論何時(shí)兩個(gè)或更多物體共享一個(gè)體積或邊界，始終需要通過(guò)列出的最后一個(gè)物體定義共享區(qū)域的屬性。但是，通過(guò)使用“運(yùn)算符”物體甚至可以創(chuàng)建更多復(fù)雜的物體：1,1,布爾物體2 2 . .數(shù)組物體3 3 . .掃掠物體4,4,光源物體這些物體采用之前定義的物體并加以操作。在這個(gè)簡(jiǎn)單的透鏡底座中，布爾物體在之前定義的物體上執(zhí)行布爾運(yùn)算：2:NSCShadedModel|二|回區(qū)|UpdateSettingsPrintWindowZoomSpinIfl|數(shù)組物體可以針對(duì)任何之前定義的物體形成數(shù)組。在

8、接下來(lái)的示例中，我們通過(guò)非球面透鏡與六角棒進(jìn)行布爾交叉，形成一個(gè)具有六角外形的非球面透鏡，然后使用數(shù)組物體制作一個(gè) 30 x3030 x30 數(shù)組透鏡：相比一個(gè)物體而言，數(shù)組幾乎不會(huì)占用更多內(nèi)存，而光線追跡則比利用多個(gè)獨(dú)立物體定義數(shù)組快的多。掃掠物體可以利用之前定義的物體與平面進(jìn)行交叉，形成物體與該平面的橫截面。然后，橫截面可以沿任意點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，新建一個(gè)“掃掠”物體。在本例中，通過(guò)掃掠標(biāo)準(zhǔn)透鏡物體形成環(huán)形透鏡：最后，任何物體都可以制作成光源。在此紅外系統(tǒng)中，藍(lán)色和綠色光線表示真實(shí)的“信號(hào)”，并在探測(cè)器上成像：第二個(gè)紅色透鏡也會(huì)因熱輻射而在紅外系統(tǒng)中發(fā)光。使用光源物體，可以輕松將透鏡物體轉(zhuǎn)變?yōu)楣庠础?/p>

9、這些光線以紅色表示。頂端的紅色光線將被光機(jī)一體底座輕而易舉地阻斷，但是請(qǐng)記住，這些光線也有溫度，也會(huì)發(fā)光。（注意：使用光源物體，也可以將 CADCAD 物體轉(zhuǎn)變?yōu)楣庠矗５锥说募t色光線在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)多次反射后，重新在探測(cè)器上直接成像。僅僅通過(guò)屏蔽無(wú)法消除這種“水仙”信號(hào)，需要仔細(xì)的光學(xué)設(shè)計(jì)。只有 ZemaxZemax 能夠提供在相同軟件包中管理兩種雜散光的工具。光源模型光源物體表示光源。ZemaxZemax 有許多光源，包括燈絲光源、二極管光源和朗伯光源。多數(shù)光源已實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，所以可以根據(jù)您的具體要求進(jìn)行定制，甚至經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可以查找給定應(yīng)用的理想光源。止匕外，使用光源物體，可以輕松將任何物體轉(zhuǎn)

10、變?yōu)楣庠?。這是自發(fā)光體的理想選擇，如紅外區(qū)內(nèi)的機(jī)械元件熱輻射。如需最準(zhǔn)確的輻射度或光度評(píng)估，最好測(cè)量光源數(shù)據(jù)。ZemaxZemax 支持光度數(shù)據(jù)、RadiantRadiant 光源數(shù)據(jù)文件和 OpsiraOpsira 數(shù)據(jù)文件的 IESIES 標(biāo)準(zhǔn)。探測(cè)器物體探測(cè)器物體探測(cè)光線照射在空間和角度的分布。數(shù)據(jù)以實(shí)際輻射度和光度單位提供，包括瓦特、流明、勒克司、厘米燭光、英尺燭光等。例如，LEDLED 對(duì)平面探測(cè)器進(jìn)行照明：最常用的探測(cè)器類型是“矩形探測(cè)器”，探測(cè)矩形表面上的相干或非相干照明。體探測(cè)器可以用來(lái)測(cè)量體對(duì)象內(nèi)的吸收能量。許多物體也可以用作探測(cè)器。探測(cè)器可以設(shè)置成對(duì)照射在物體上的光線的吸收

11、。 在本例中， 第一個(gè)探測(cè)器位于聚光器的膜面上 （因此，顯示出均勻的發(fā)光強(qiáng)度分布）。該探測(cè)器設(shè)置成不干擾通過(guò)的光線。第二個(gè)探測(cè)器（顯示出光源物體的圖像）設(shè)置成終止光線追跡。可以將探測(cè)器數(shù)據(jù)讀入評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如探測(cè)查看器所示，或者復(fù)制出ZemaxZemax 以其它代碼（如 ExcelExcel 或 MATLABMATLAB? ?進(jìn)行分析。分光當(dāng)光線從一種折射率的介質(zhì)傳播到另一種折射率的介質(zhì)時(shí)，由于光線在兩種介質(zhì)中的速度不同，就會(huì)發(fā)生部分折射。這意味著部分能量會(huì)被傳播，部分能量會(huì)被反射。另外，某些能量會(huì)丟失（吸收） ，尤其是界面上有金屬膜層時(shí)。有時(shí)，部分反射稱為菲涅爾反射。ZemaxZemax

12、 擁有從裸露和覆膜表面（包括復(fù)雜的多層膜層）發(fā)生菲涅爾反射的復(fù)雜模型。請(qǐng)參見(jiàn)偏振和光學(xué)薄膜章節(jié),了解詳細(xì)信息。當(dāng)光線與物體表面交叉時(shí)，ZemaxZemax 會(huì)計(jì)算界面?zhèn)鞑ァ⒎瓷浜臀盏哪芰勘壤?。然后，利用正確的相對(duì)能量將光線分裂為兩部分：反射的光線和傳播的光線。卜面是分光鏡示例:在本例中，大約 1%1%的能量被涂有 MgEMgE 的 N-BK7N-BK7 棱鏡面反射，大約 50%50%的能量被兩個(gè)棱鏡相接觸的直角斜邊面上的膜層反射/透射。系統(tǒng)會(huì)發(fā)起新光線（稱為“子”光線）以帶走這部分能量，從而生成能量在系統(tǒng)中的去向的完整視圖。分光是在光學(xué)系統(tǒng)和許多照明系統(tǒng)中理解雜散光的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。Zemax

13、Zemax 提供了全套分光建模。除了全面的模型，ZemaxZemax 還支持分光概率模型，成為簡(jiǎn)單分裂。這一相對(duì)簡(jiǎn)單的模型在類似增亮片這樣的照明系統(tǒng)中具有優(yōu)勢(shì)。光線散射除了表面部分反射之外，光線還可能因表面的微觀粗糙現(xiàn)象而發(fā)生散射。ZemaxZemax支持從光學(xué)表面散射的許多詳細(xì)模型，包括朗伯（用于非常粗糙的高散射度表面）、高斯（通常用于針對(duì)良好拋光表面和 ABgABg 進(jìn)行散射建模），主要用于輸入測(cè)量的散射函數(shù)。止匕外，還有一個(gè)強(qiáng)大的用戶定義散射函數(shù)功能、可以添加自己的散射分布函數(shù)。12:NSCShadedModel匚I方以|UpdateSettingsPrintWindowZoomSpin

14、在這種情況下，散射分布函數(shù)是一種 ABgABg 分布:3:ScatterFunctionViewer口|XTUETRN220B7Fl-100Q0BQE-303B=1sEOQOD0E-G=2-g斑TOTALSCATTER-9,eia2INCIDENTRhICLE=0.BOQDECREES：ZemaxZemax 可以靈活控制如何處理光線散射。您可以逐個(gè)物體地定義 ZemaxZemax 是否應(yīng)決定散射光線，或者是否應(yīng)始終啟動(dòng)非散射光線和指定數(shù)量的散射光線。這是上述第一個(gè)屏幕快照中要完成的任務(wù)：輸入光線分裂為鏡面（非散射）光線以及從散射分布函數(shù)中隨機(jī)選擇的三條散射光線。能量在所有光線之間正確分布。 您

15、還可以利用其它控制功能， 定義散射光線只能沿著規(guī)定的軌跡移動(dòng)，從而極大地降低建立適當(dāng)信噪比所需的光線數(shù)量。在處理從機(jī)械 CADCAD 軟件包導(dǎo)入的物體時(shí)，區(qū)分 CADCAD 物體的不同區(qū)域往往非常重要。ZemaxZemax 可以將多個(gè)不同散射函數(shù)放在 CADCAD 物體的不同表面。在本例中，紅色表面是平滑的光質(zhì)注塑塑料，銀色表面則具有火花侵蝕模具產(chǎn)生的粗糙、散射表ZEMRXSCRTTERMODELSREGH0S1MRGMITUDEDFSCRTTERVECTORSCATTERFUNCTIONVIEWERUpdateSettingsPrintWindlov巳Zoom面。ZemaxZemax 為您提

16、供了一個(gè)簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊界面，可以輕松地將不同散射函數(shù)應(yīng)用于 CADCAD 物體的不同表面。除了從物體表面散射外，ZemaxZemax 還支持詳細(xì)的體積（或本體）散射模型，其中，光學(xué)材料中的內(nèi)含物可造成散射。例如，這是對(duì)光學(xué)材料缺陷效果或生物組織散射的建模的理想選擇。fill:NSC3DLayout日回區(qū)UpdateSettingsPrintWindov-/Zoom光線追跡數(shù)據(jù)分析分析非序列系統(tǒng)中光線追跡結(jié)果的主要方法是使用探測(cè)器物體。當(dāng)光線投射到探測(cè)器物體上時(shí)，光線的位置、角度、能量和光路長(zhǎng)度都會(huì)存儲(chǔ)到系統(tǒng)中，以便通過(guò)探測(cè)查看器的分析功能生成下列分析。ZemaxZemax 可以生成輻射度和光度分析

17、。下表在括號(hào)中顯示光度折算值：1 1 . .非相干輻射照度（非相干照度）2 2 . .相干輻射照度（相干照度）3 3 . .相干相位4 4 . .輻射光強(qiáng)度（發(fā)光強(qiáng)度）5 5 . .位置空間輻射亮度（位置空間亮度）6 6 . .角度空間輻射亮度（角度空間亮度）止匕外，體探測(cè)器還提供：1 1 . .入射光通量2 2 . .吸收光通量3 3 . .吸收光通量/單位體積測(cè)量光通量的單位（輻射度或光度）。光線也可以保存到光線數(shù)據(jù)庫(kù)以供后續(xù)分析。靈活的濾光片可讓您定義光線必須滿足的標(biāo)準(zhǔn)（例如，顯示從物體 3 3 散射的所有光線，然后從物體 4040 反射，然后投射到探測(cè)器物體 1515 上）。這可以輕松生