ZEMAX软件技术应用教程专题:照明设计中实用的光学模拟方法

本课程介绍了照明设计中不同的光学模拟方法。您将学习如何按照光线追迹的方式来设置系统，以获得最佳的设计结果。本课程还提供了一些特定模拟方法的文章链接。本课是照明学习路径的第三课。

作者 Katsumoto Ikeda

理解照明系统中的光线追迹

透镜的形状很少仅靠分析计算来确定。在实际应用中，许多光学现象都会对光束产生影响，如菲涅耳损耗（偏振）、色散、材料吸收、漫反射。我们在设计和模拟照明系统时，需要考虑到这些光学现象。对于照明系统的非序列光线追迹，很少需要考虑衍射和干涉，但仍要对光学系统进行仔细的评估。

光线追迹理论：

• 将光看作一束光线

• 光线具有位置、方向、能量、波长

• 不考虑衍射

• Ray追迹

• 光线始于光源

• 当光线击到表面上时，产生反射和折射改变了光线的属性（方向、能量）

• 当光线没有击到表面上或者光线能量低于阈值时，光线追迹就会结束

原理图如下：

表示光线未忽略前的流程图如下图所示：

在模拟中我们需要考虑的几个分布参数：

• 光源的角分布

• 光源的空间分布

• 光源的光谱分布

• 漫反射表面的漫反射分布

 

照明设计中常用非序列分析。一束光线中有位置、方向、能量和波长或颜色信息。对于光学系统的模拟，我们使用多束光的统计分析表现来得到我们的结果。光线的随机性是通过每条光线的分布、设置的光线方向、能量和波长决定的。这种模拟光线的方法称为“蒙特卡罗(Monte-Carlo)”模拟，即光线是随机分布的。一束光线中只包含整个光源的一部分信息，如果我们没有使用足够的光线进行分析就会导致结果不准确。为了提高信噪比，我们需要提高分析光线的数量。使用多核CPU和GPU可以提高计算速度。

探测器的最佳分辨率与光线数量的相关性在第二课：用于照明设计的探测器中进行了讨论。光线数量少会产生大量噪声，而光线数量太多则会浪费计算资源和时间。

照明设计中可能用到的模拟方法

照明系统的模型越精确，模拟结果越精确：

• 光源：角分布、空间分布、光谱分布、近场分布。

• 系统中的三维物体：其形状将决定光线的反射和折射。

• 材料：折射率、透射率，以及较小的材料的漫反射参数。

• 表面的光学属性：光学表面的透射、反射和漫反射将决定光线与表面的相互作用。

正如计算机代码只做程序告诉它要做的事情一样，光线追迹的结果只按照我们的设置呈现。结果的准确性取决于我们建立的模型，以及我们在现实生活中对系统组件有多熟悉是非常重要的。另一方面，在建模中考虑太多的细节可能是浪费时间，设计者需要辨别哪些参数是模拟中必需的，哪些可以忽略。虽然很复杂，但是光源的漫反射特性和建模在设计中是至关重要的。

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