Zemax非序列光线追迹.docx

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Zemax非序列光线追迹

非序列光线追迹

非序列光线追迹是Zemax中的核心技术。

它是用于在具有多个光学路径的系统中对光线进行追迹的一种强大通用技术。

典型用例包括：

1.照明系统，尤其是具有多个或复杂光源的照明系统

2.干涉仪这类系统，其中穿过几个不同光学系统的光线必须以相干方式重组

3.其他序列光学系统中的杂散光分析

非序列范式是任何光线都没有预定义路径。

光线射出并投射到光路中的任意物体上，随后可能反射、折射、衍射、散射、分裂为子光线等。

与序列光线追迹相比，这是一项更为通用的技术，因此在光线追迹速度方面要慢一些。

在非序列元件编辑器中提供了物体列表。

此列表中的物体顺序没有意义（对此有几个例外情况：

有关详细信息，请参见几何形状创建一节）。

光线从光源物体开始传播，直至投射到某个物体上，在该点可能会部分反射、透射、散射或衍射：

在此例中，大约1%的能量被涂有MgF2的N-BK7棱镜面反射，大约50%的能量被两个棱镜相接触的直角斜边面上的膜层反射/透射。

系统会发起新光线（称为“子”光线）以带走这部分能量，从而生成能量在系统中的去向的完整视图。

物体

Zemax中的非序列光线追迹以三维物体为基础。

（注意：

要求所有程序均支持非序列光线追迹是不现实的。

）在Zemax中，非序列物体完全由定义该物体所需的所有表面组成。

例如，标准透镜物体由正面和背面、连接两面的柱体和边缘上的斜面组成。

多数Zemax物体均实现了参数化，这表示这些表面通过下列等式进行了定义。

因此，创建和修改很方便，而且仅占用非常少的内存空间。

此外，还可以进行优化并确定公差。

有些Zemax物体未实现参数化，如CAD物体。

这些物体只是作为数据文件存在。

由于Zemax将所有物体均视为三维体，而不是表面集合，所以很容易进行光线追迹和管理大型CAD文件。

基于表面的代码可能需要成千上万个表面来表示复杂的CAD物体：

在Zemax中，它就是一个物体。

但是，不同的表面材料和膜层可应用到一个物体的任何表面，不论使用多少CAD实体来予以表示。

Zemax支持80多种物体，包括透镜、非球面透镜、棱镜、全息图、Zernike物体、衍射光栅等。

支持物体的完整列表如下所示。

此外，还有一系列“运算符”物体，可以从现有物体生成复杂的几何图形。

例如，您可以对本地Zemax物体执行布尔运算，形成任意物体数组，扫掠任意轴周围的现有物体以新建物体。

几何形状创建部分对此有详尽说明。

而且，还可以为不存在适当物体或不能从可用工具创建适当物体的特殊情况创建自己的物体类型。

将物体输入非序列元件编辑器中。

物体可相对于全局坐标框架或任何其它物体放置。

这样就可以轻松定义子组件。

物体可以重新定义为参考物体的任何其它物体框架，在定义位置提供全面的灵活性。

编辑器也可用于为物体提供参数化数据。

例如，如果使用透镜物体，则每个表面的曲率半径、厚度和光学材料就需要在编辑器中进行定义。

通过电子表格函数（称为解）可以“选取”参数数据，以便锁定属性。

例如，在双胶合透镜中，第二个透镜的第一个曲率半径 必须等于第一个透镜的最后一个曲率半径。

跟随解则简化了这一操作。

还可以轻松实施更多复杂的解，从而可在电子表格编辑器中直接 执行计算。

 （请参见知识库文章“如何创建用户定义的解”，了解详细信息）。

创建和定位物体后，即可通过“物体属性”对话框设置详细属性。

可以应用光学薄膜和表面散射函数，以及本体散射、梯度折射率、衍射属性等。

一般而言，数据会得到控制，而“属性”对话框不会经常改变，通过电子表格编辑器可以输入更多的“定义”数据。

几何形状创建

有时， 需要利用提供的物体创建更复杂的物体。

例如，您可能需要在一个物体中放置另一个物体。

在这种情况下，规则很简单：

必须首先在非序列组件编辑器中定义外层物体。

无论何时两个或更多物体共享一个体积或边界，始终需要通过列出的最后一个物体定义共享区域的属性。

但是，通过使用“运算符”物体甚至可以创建更多复杂的物体：

1.布尔物体

2.数组物体

3.扫掠物体

4.光源物体

这些物体采用之前定义的物体并加以操作。

在这个简单的透镜底座中，布尔物体在之前定义的物体上执行布尔运算：

数组物体可以针对任何之前定义的物体形成数组。

在接下来的示例中，我们通过非球面透镜与六角棒进行布尔交叉，形成一个具有六角外形的非球面透镜，然后使用数组物体制作一个30x30数组透镜：

相比一个物体而言，数组几乎不会占用更多内存，而光线追迹则比利用多个独立物体定义数组快的多。

扫掠物体可以利用之前定义的物体与平面进行交叉，形成物体与该平面的横截面。

然后，横截面可以沿任意点旋转，新建一个“扫掠”物体。

在本例中，通过扫掠标准透镜物体形成环形透镜：

最后，任何物体都可以制作成光源。

在此红外系统中，蓝色和绿色光线表示真实的“信号”，并在探测器上成像：

第二个红色透镜也会因热辐射而在红外系统中发光。

使用光源物体，可以轻松将透镜物体转变为光源。

这些光线以红色表示。

顶端的红色光线将被 光机一体底座轻而易举地阻断，但是请记住，这些光线也有温度，也会发光。

（注意：

使用光源物体，也可以将CAD物体转变为光源）。

底端的红色光线在光学系统内经多次反射后，重新在探测器上直接成像。

仅仅通过屏蔽无法消除这种“水仙”信号，需要仔细的光学设计。

只有Zemax能够提供在相同软件包中管理两种杂散光的工具。

光源模型

光源物体表示光源。

Zemax有许多光源，包括 灯丝光源、二极管光源和朗伯光源。

多数光源已实现参数化，所以可以根据您的具体要求进行定制，甚至经过优化，可以查找给定应用的理想光源。

此外，使用光源物体，可以轻松将任何物体转变为光源。

这是自发光体的理想选择，如红外区内的机械元件热辐射。

如需最准确的辐射度或光度评估，最好测量光源数据。

Zemax支持 光度数据、Radiant光源数据文件和Opsira数据文件的IES标准。

探测器物体

探测器物体探测光线照射在空间和角度的分布。

数据以实际辐射度和光度单位提供，包括瓦特、流明、勒克司、厘米烛光、英尺烛光等。

例如，LED对平面探测器进行照明：

最常用的探测器类型是“矩形探测器”，探测矩形表面上的相干或非相干照明。

体探测器可以用来测量体对象内的吸收能量。

许多物体也可以用作探测器。

探测器可以设置成对照射在物体上的光线的吸收。

在本例中，第一个探测器位于聚光器的膜面上（因此， 显示出均匀的发光强度分布）。

  该探测器设置成不干扰通过的光线。

第二个探测器（显示出光源物体的图像）设置成终止光线追迹。

可以将探测器数据读入评价函数进行优化，如探测查看器所示，或者复制出Zemax以其它代码（如Excel或MATLAB®）进行分析。

分光

当光线从一种折射率的介质传播到另一种折射率的介质时，由于光线在两种介质中的速度不同，就会发生部分折射。

这意味着部分能量会被传播，部分能量会被反射。

另外，某些能量会丢失（吸收），尤其是界面上有金属膜层时。

有时，部分反射称为菲涅尔反射。

Zemax拥有从裸露和覆膜表面（包括复杂的多层膜层）发生菲涅尔反射的复杂模型。

请参见偏振和光学薄膜章节，了解详细信息。

当光线与物体表面交叉时，Zemax会计算界面传播、反射和吸收的能量比例。

然后，利用正确的相对能量将光线分裂为两部分：

反射的光线和

传播的光线。

下面是分光镜示例：

在本例中，大约1%的能量被涂有MgF2的N-BK7棱镜面反射，大约50%的能量被两个棱镜相接触的直角斜边面上的膜层反射/透射。

系统会发起新光线（称为“子”光线）以带走这部分能量，从而生成能量在系统中的去向的完整视图。

分光是在光学系统和许多照明系统中理解杂散光的一项关键技术。

Zemax提供了全套分光建模。

除了全面的模型，Zemax还支持分光概率模型，成为简单分裂。

这一相对简单的模型在类似增亮片这样的照明系统中具有优势。

光线散射

除了表面部分反射之外，光线还可能因表面的微观粗糙现象而发生散射。

Zemax支持从光学表面散射的许多详细模型，包括朗伯（用于非常粗糙的高散射度表面）、高斯（通常用于针对良好抛光表面和ABg进行散射建模），主要用于输入测量的散射函数。

此外，还有一个强大的用户定义散射函数功能，可以添加自己的散射分布函数。

在这种情况下，散射分布函数是一种ABg分布：

Zemax可以灵活控制如何处理光线散射。

您可以逐个物体地定义Zemax是否应决定散射光线，或者是否应始终启动非散射光线和指定数量的散射光线。

这是上述第一个屏幕快照中要完成的任务：

输入光线分裂为镜面（非散射）光线以及从散射分布函数中随机选择的三条散射光线。

能量在所有光线之间正确分布。

您还可以利用其它控制功能，定义散射光线只能沿着规定的轨迹移动，从而极大地降低建立适当信噪比所需的光线数量 。

在处理从机械CAD软件包导入的物体时，区分CAD物体的不同区域 往往非常重要。

Zemax可以将多个不同散射函数放在CAD物体的不同表面。

在本例中，红色表面是平滑的光质注塑塑料，银色表面则 具有 火花侵蚀模具产生的粗糙、散射表面。

Zemax为您提供了一个简单的点击界面，可以轻松地将不同散射函数应用于CAD物体的不同表面。

除了从物体表面散射外，Zemax还支持详细的体积（或本体）散射模型，其中，光学材料中的内含物可造成散射。

例如，这是对光学材料缺陷效果或生物组织散射的建模的理想选择。

光线追迹数据分析

分析非序列系统中光线追迹结果的主要方法是使用探测器物体。

当光线投射到 探测器物体上时，光线的位置、角度、能量和光路长度都会存储到系统中，以便通过探测查看器的分析功能生成下列分析。

Zemax可以生成辐射度和光度分析。

下表在括号中显示光度折算值：

1.非相干辐射照度（非相干照度）

2.相干辐射照度（相干照度）

3.相干相位

4.辐射光强度（发光强度）

5.位置空间辐射亮度（位置空间亮度）

6.角度空间辐射亮度 （角度空间亮度）

 此外，体探测器还提供：

1.入射光通量

2.吸收光通量

3.吸收光通量/单位体积

测量光通量的单位（辐射度或光度）。

光线也可以保存到光线数据库以供后续分析。

灵活的滤光片可让您定义光线必须满足的标准（例如，显示从物体3散射的所有光线，然后从物体40反射，然后投射到探测器物体15上）。

这可以轻松生成光线子集，无需重复光线追迹计算。

光线集可以单独分析，也可以用于定义光源数据文件。

在Zemax中，可以分析所有探测器数据，然后读入评价函数，以便进行优化和确定公差。

数据也可以直接读入ZPL（Zemax中的内置编程语言）和 外部程序（如MATLAB®或Excel）。

光线追迹优化

因为大多数Zemax物体已实现参数化，而且可以将探测器数据轻松导入评价函数，因此可以使用Zemax优化照明系统。

请参见主要优化章节了解详情，或者参见下列知识库文章了解具体内容。