ZEMAX：如何創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的非序列系統(tǒng)

2020-01-31  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

概述

這篇文章介紹了OpticStudio非序列模式中的一些基本操作。主要包括:在非序列元件編輯器中添加和編輯物體、在布局圖中觀察系統(tǒng)以及利用光線追跡獲取系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)。本文使用的附件請(qǐng)從以下鏈接處下載:

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非序列模式下的光線追跡可以實(shí)現(xiàn)很多序列模式無(wú)法輕易實(shí)現(xiàn)的功能。這主要是因?yàn)榉切蛄心Ｊ街?光線能夠和任何位于其路徑上的物體相互作用,并且可以分裂成很多可追跡的子光線。但是在進(jìn)入到具體的非序列模式功能展示示例之前,我們首先需要梳理一下非序列模式和序列模式之間基本的區(qū)別。

在OpticStudio中有兩種不同的光線追跡模式:序列模式和非序列模式。兩者之間的主要區(qū)別有以下幾點(diǎn):

序列模式

• 主要用來(lái)設(shè)計(jì)成像系統(tǒng)和無(wú)焦系統(tǒng)

• 在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中定義系統(tǒng)的每個(gè)表面

• 光線只能和每個(gè)表面接觸一次,而且必須遵循特定的順序(即依次經(jīng)過(guò)的編號(hào)為#0、#1、#2…的表面),序列追跡的名稱即由此而來(lái)

• 當(dāng)表面的材料類型為MIRROR時(shí),光線只能被反射。OpticStudio還會(huì)計(jì)算在折射表面上發(fā)生的部分反射(菲涅爾反射),以此得到正確的折射能量比例,例如光線在介質(zhì)膜反射鏡和金屬反射鏡上的透過(guò)能量比

• 每個(gè)表面都具有屬于它自己的局域坐標(biāo)系。每個(gè)表面在光軸上的位置是相對(duì)于它前一個(gè)表面來(lái)定義的。也就是說(shuō)鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中的“厚度”欄表示的是下一個(gè)表面與當(dāng)前表面的距離,而不是相對(duì)一個(gè)全局的參考點(diǎn)的距離

非序列模式

• 該模式主要應(yīng)用在非成像系統(tǒng)上,例如照明系統(tǒng)或者對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行雜散光分析

• 物體的表面或體積是在非序列元件編輯器中進(jìn)行定義的

• 機(jī)械零件可以很方便的從CAD軟件導(dǎo)入,這可實(shí)現(xiàn)完整的光機(jī)系統(tǒng)分析

• 光線可以和同一個(gè)物體作用不止一次,也能夠以任意的次序接觸多個(gè)物體,這也是非序列名稱的由來(lái)

• 除非特別聲明,所有物體都定義在全局坐標(biāo)系下

• 對(duì)于發(fā)生在折射界面的部分反射,除了追跡折射光線以外,非序列模式還可以同時(shí)追跡發(fā)生反射的部分光線,以實(shí)現(xiàn)同時(shí)追跡反射和折射光線,這一過(guò)程稱為光線分裂。

• 在序列系統(tǒng)中存在的成像系統(tǒng)參數(shù)例如光闌位置、入瞳、出瞳、視場(chǎng)、系統(tǒng)孔徑等,在非序列系統(tǒng)中可能沒(méi)有意義

• 非序列模式的主要分析功能是基于探測(cè)器的光線追跡,它可以給出相干或非相干的光線的空間和角度數(shù)據(jù)

另外,OpticStudio還支持混合模式(包含入射窗口的非序列模式),其中序列光線追跡和非序列光線追跡同時(shí)存在與一個(gè)系統(tǒng)之中。

現(xiàn)在我們要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)非序列系統(tǒng),其中包括一個(gè)燈絲光源、一個(gè)拋物面反射鏡、一個(gè)平凸透鏡,它用來(lái)將光線耦合進(jìn)一個(gè)矩形的導(dǎo)光管中,如下圖所示:

我們需要將光線追跡至光學(xué)系統(tǒng)中不同位置的探測(cè)器,以獲得系統(tǒng)不同位置處的照度分布。這是我們最終得到的結(jié)果:

OpticStudio啟動(dòng)時(shí)默認(rèn)處于序列模式/混合模式中。如果想要切換到純非序列模式,則在啟動(dòng)OpticStudio后,點(diǎn)擊設(shè)置 (Setup)選項(xiàng)卡中系統(tǒng) (System)中的非序列模式 (Non-sequential):

一旦切換到非序列模式,編輯器窗口的名稱會(huì)從序列模式下的鏡頭數(shù)據(jù)編輯器 (Lens Data Editor)變?yōu)榉切蛄性庉嬈?(Non-Sequential Editor)。其中鏡頭數(shù)據(jù)編輯器只在序列模式或者混合模式中使用。

在本例中,首先設(shè)置系統(tǒng)波長(zhǎng)。在系統(tǒng)選項(xiàng) (System Explorer)窗口中選擇波長(zhǎng) (Wavelength),并設(shè)置波長(zhǎng)為0.587um:

同樣,在系統(tǒng)選項(xiàng)的單位 (Unit)菜單中設(shè)置單位如下所示(默認(rèn)設(shè)置):

除了可以將輻照度單位設(shè)置為瓦特/平方厘米以外,您還可以將光亮度單位設(shè)置為流明/平方厘米或者將能量單位設(shè)置為焦耳/平方厘米。在這個(gè)案例中我們選擇默認(rèn)的輻照度單位的設(shè)置。

您可以使用鍵盤上的insert鍵在非序列元件編輯器中插入幾行空物體。

在開(kāi)始設(shè)計(jì)的第一部分中,我們要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)燈絲光源,并用一個(gè)拋物面的反射鏡讓光線準(zhǔn)直地出射。然后我們需要在相隔一段距離的位置放置一個(gè)探測(cè)器以查看光源在此位置的輻照度分布。

如果想要把第一個(gè)物體設(shè)置成拋物面的反射鏡,我們需要在編輯器中點(diǎn)擊物體1的物體類型 (Object Type)欄或者打開(kāi)物體1的物體屬性 (Object Properties)。將類型設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)面 (Standard Surface):

在編輯器中的對(duì)應(yīng)位置輸入以下參數(shù),其中一些參數(shù)可能需要您向右滑動(dòng)滑塊,以找到寫有對(duì)應(yīng)名稱的表格單元。

材料 (Materials):Mirror
曲率半徑 (Radius):100
圓錐系數(shù) (Conic):-1(拋物線)
最大孔徑 (Max Aper):150
最小孔徑 (Min Aper):20(反射鏡中央的孔)

其他參數(shù)均采用默認(rèn)值。

您可以點(diǎn)擊分析選項(xiàng)卡中的非序列3D視圖 (NSC 3D Layout)按鈕打開(kāi)非序列三維布局圖,或者點(diǎn)擊分析菜單中的非序列實(shí)體模型 (NSC Shaded Model)按鈕打開(kāi)NSC實(shí)體模型圖來(lái)查看反射鏡的幾何形狀:

和上述對(duì)應(yīng)操作類似,在編輯器中改變物體2(目前是空物體)的物體類型為燈絲光源 (Source Filament):

我們希望燈絲光源位于拋物面反射鏡的焦點(diǎn)處,這樣出射光才會(huì)是平行光。我們假設(shè)燈絲線圈在20mm的長(zhǎng)度里環(huán)繞了10圈,并且環(huán)繞半徑為5mm:

Z位置 (Z Position):50(拋物面反射鏡的焦點(diǎn))
顯示光線條數(shù) (#Layout Rays):20
分析光線條數(shù) (#Analysis Rays):5,000,000
長(zhǎng)度 (Length):20
曲率半徑 (Radius):5
圈數(shù) (Turns):10

布局圖中顯示了20條從光源發(fā)射出的光線,這和顯示光線條數(shù)參數(shù)中所設(shè)置的數(shù)量相同。

目前燈絲光源的方向是沿著Z軸排布的,如果我們想讓它沿著X軸排布,就需要把光源繞Y軸旋轉(zhuǎn)90度。在光源參數(shù)的傾斜Y (Tilt About Y) 參數(shù)欄中輸入90:

在布局圖中默認(rèn)顯示YZ截面的視圖,可以看到燈絲方向現(xiàn)在是沿著X軸排布的。但從XZ截面視圖可以發(fā)現(xiàn)燈絲在X軸正向偏移了一段距離。您可以通過(guò)在布局圖參數(shù)設(shè)置欄中設(shè)置視圖旋轉(zhuǎn)參數(shù)來(lái)改變視角,也可以通過(guò)鍵盤的上下左右方向鍵和Page Up、Page Down按鍵來(lái)旋轉(zhuǎn)視圖:

產(chǎn)生偏離的原因是燈絲的旋轉(zhuǎn)軸并不在其中心,而是在它的端點(diǎn)位置。如果想要把光源放在沿X軸的中心,則需要在光源的X位置 (X Position)參數(shù)欄輸入-10:

更新布局圖中的顯示,現(xiàn)在我們可以看到燈絲以正確的方向位于預(yù)想的中心位置。

下面我們需要在離光源一定距離的地方放置一個(gè)探測(cè)器來(lái)分析光源在該位置的輻照度分布情況。

第三個(gè)物體設(shè)置為矩形探測(cè)器并輸入以下參數(shù):

Z位置 (Z Position):800
材料 (Material):空白(不用輸入"空白"而是保持表格單元為空的)
X半寬 (X Half Width):150
Y半寬 (Y Half Width):150
X像元數(shù) (#X Pixels):150
Y像元數(shù) (#Y Pixels):150
顏色 (color):1(探測(cè)器用反灰度圖的范式顯示數(shù)據(jù))

其他參數(shù)保持默認(rèn)值。

從布局圖中可以看到光線穿過(guò)了探測(cè)器,這是因?yàn)檫@里探測(cè)器的材料類型是空氣(編輯器中為空白),它對(duì)光線來(lái)說(shuō)是完全透明的。

如果要想查看探測(cè)器上的光強(qiáng)分布,可以點(diǎn)擊分析選項(xiàng)卡中的探測(cè)器查看器 (Detector Viewer):

您會(huì)看到,雖然在布局圖中我們可以看到光線到達(dá)了探測(cè)器的位置,但此時(shí)探測(cè)器查看器顯示的數(shù)據(jù)仍是空的,總功率也是0。這是因?yàn)樵诓季謭D中和探測(cè)器查看器中的光線追跡結(jié)果是相互獨(dú)立的。如果想要看到探測(cè)器上的追跡結(jié)果,我們首先需要執(zhí)行光線追跡,將光線追跡到探測(cè)器上。通過(guò)編輯器中的“分析光線條數(shù)”參數(shù)來(lái)設(shè)置光線追跡的數(shù)量,該參數(shù)的數(shù)值通常很大,在這個(gè)示例中為5百萬(wàn)根光線。需要注意的是,布局圖中的光線不影響探測(cè)器查看器中的追跡結(jié)果,只有分析的光線才會(huì)產(chǎn)生影響。

如果想要把分析光線追跡到探測(cè)器上,點(diǎn)擊分析選項(xiàng)卡中的光線追跡 (Ray Trace)按鈕,打開(kāi)光線追跡控制 (Ray Trace Control)對(duì)話框:

在開(kāi)始追跡前一定要點(diǎn)擊清空探測(cè)器 (Clear Detector)按鈕來(lái)清空探測(cè)器之前保存的數(shù)據(jù),以免之前的追跡結(jié)果影響這一次的追跡分析。點(diǎn)擊清空探測(cè)器按鈕,然后點(diǎn)擊追跡 (Trace),光線追跡完成后再點(diǎn)擊退出 (Exit)。

探測(cè)器查看器會(huì)顯示如下輻照度分布結(jié)果,其中我們可以看到燈絲光源的像:

如果您在探測(cè)器查看器中得到了和上圖不同的結(jié)果,打開(kāi)探測(cè)器查看器的設(shè)置對(duì)話框,確認(rèn)設(shè)置參數(shù)與下圖中的完全相同:

您也可以在NSC實(shí)體模型圖的設(shè)置中,把探測(cè)器選項(xiàng)設(shè)置為像素顏色由最后一次追跡結(jié)果決定 (Color Pixels By Last Analysis),得到如下追跡結(jié)果:

目前,我們已經(jīng)添加了一個(gè)光源和一個(gè)反射鏡,現(xiàn)在我們需要在探測(cè)器右側(cè)10mm的位置添加一個(gè)平凸透鏡用來(lái)偏折光線。在編輯器中的矩形探測(cè)器行后插入一行物體,選擇物體類型為標(biāo)準(zhǔn)透鏡 (Standard Lens)并輸入如下參數(shù):

參考物體 (Ref Object):3
Z位置 (Z Position):10
材料 (Material):N-BK7
半徑1 (Radius):300
凈孔徑1 (Clear 1):150
邊緣孔徑 (Edge 1):150
厚度 (Thickness):70
凈孔徑2 (Clear 2):150
邊緣孔徑2 (Edge 2):150

需要注意的是,我們是以物體3(矩形探測(cè)器)為參考面定義的透鏡位置,因此在參考物體欄輸入了數(shù)字3,然后在Z位置處輸入數(shù)字10,而不是以全局坐標(biāo)系為參考(即以物體0為參考)的參數(shù)大小810。在以探測(cè)器為參考面定義透鏡位置時(shí),無(wú)論探測(cè)器的位置在哪兒,透鏡永遠(yuǎn)保持在探測(cè)器右側(cè)(Z軸正向)10mm的位置處。這也是在非序列模式中定義物體間相對(duì)位置的常用技巧。

為了得到匯聚光束的光強(qiáng)分布,在透鏡右側(cè)(Z軸正向)650mm處再添加一個(gè)探測(cè)器,并輸入?yún)?shù)如下:

參考物體 (Ref Object):4
Z位置 (Z Position):650
材料 (Material):空白
X半寬 (X Half Width):100
Y半寬 (Y Half Width):100
X像元數(shù) (#X Pixels):150
Y像元數(shù) (#Y Pixels):150
顏色 (color):1
其他參數(shù)均采用默認(rèn)值。

點(diǎn)擊分析選項(xiàng)卡中的探測(cè)器查看器,將打開(kāi)的探測(cè)器查看器如下圖所示進(jìn)行設(shè)置:

現(xiàn)在,我們已經(jīng)準(zhǔn)備好重新進(jìn)行光線追跡并分析探測(cè)器結(jié)果了。由于材料為N-BK7的平凸透鏡沒(méi)有鍍膜,我們需要考慮光線在透鏡表面的反射損耗(菲涅爾反射),因此在光線追跡控制對(duì)話框中需要勾選“使用偏振 (Use Polarization)”選項(xiàng)。(需要注意的是,此時(shí)沒(méi)有勾選“NSC分裂光線 (Split NSC Rays)”選項(xiàng),因此分析只考慮反射損失的能量,但被反射的能量沒(méi)有考慮在探測(cè)器能量計(jì)算之中。在勾選“NSC光線分裂”時(shí),反射生成的子光線的能量即為反射損耗的能量。)

現(xiàn)在,探測(cè)器查看器中展示的總功率考慮了反射損耗和透鏡中的體吸收效應(yīng):

最后一步,我們需要在探測(cè)器5的右側(cè)(Z軸正向)20mm的位置添加一個(gè)矩形的丙烯酸 (Acrylic) 導(dǎo)光管。在編輯器的探測(cè)器5之后添加矩形體物體 (Rectangle Volume Object),輸入以下參數(shù):

參考物體 (Ref Object):-1
Z位置 (Z Position):20
材料 (Material):Acrylic
X1半寬 (X1 Half Width):70
Y1半寬 (Y1 Half Width):70
Z長(zhǎng)度 (Z Length):2000
X2半寬 (X2 Half Width):70
Y2半寬 (Y2 Half Width):70
其他參數(shù)均采用默認(rèn)值。

在材料欄中輸入Acrylic時(shí),您可能會(huì)看到如下圖所示的提示信息。點(diǎn)擊“Yes”后OpticStudio會(huì)自動(dòng)將玻璃庫(kù)MISC添加到當(dāng)前系統(tǒng)的玻璃庫(kù)中,在該文件中包含了丙烯酸的材料數(shù)據(jù)。

這次我們把參考物體設(shè)置為-1,這表示編輯器中的前一個(gè)物體(物體5矩形探測(cè)器)。對(duì)于該參數(shù)來(lái)說(shuō),它和輸入數(shù)字5的結(jié)果一樣的。使用負(fù)數(shù)定義目標(biāo)和參考物體之間的相對(duì)關(guān)系是個(gè)非常有用的技巧,尤其是在編輯器中需要將一組物體進(jìn)行復(fù)制、粘貼到其他非序列元件編輯器中的時(shí)候:

參考物體 (Ref Object):-1(使用相對(duì)參考物,以矩形體為參考面)
Z位置 (Z Position):0(稍后我們會(huì)改變這個(gè)數(shù)值)
材料 (Material):Absorb
X半寬 (X Half Width):100
Y半寬 (Y Half Width):100
X像元數(shù) (#X Pixels):150
Y像元數(shù) (#Y Pixels):150
顏色 (color):1
其他參數(shù)均采用默認(rèn)值。

材料類型設(shè)置為Absorb,這使得探測(cè)器對(duì)光線而言是不透明的,我們可以從布局圖上看到光線被吸收。

由于我們將探測(cè)器7作為參考面并設(shè)置Z位置為0,探測(cè)器目前位于導(dǎo)光管的前表面上?，F(xiàn)在,我們希望把這個(gè)探測(cè)器放在導(dǎo)光管的右側(cè)(Z軸正向)10mm的位置,那么Z位置的數(shù)值應(yīng)該是2010mm(即矩形體的厚度再加10mm)。如果我們改變了矩形體的厚度,探測(cè)器7的Z位置數(shù)值也應(yīng)該相應(yīng)的改變。因此為了方便,我們不在編輯器中直接輸入數(shù)字2010,而是用一個(gè)拾取類型的求解值來(lái)給出探測(cè)器的Z位置大小。OpticStudio會(huì)根據(jù)物體6的厚度自動(dòng)計(jì)算這個(gè)厚度,然后再加10mm的數(shù)值,最終定義Z位置的大小。

點(diǎn)擊物體7的Z位置參數(shù)欄右側(cè)的小方塊,打開(kāi)求解參數(shù)對(duì)話框,如下圖所示輸入?yún)?shù):

在非序列元件編輯器中,材料欄的參數(shù)編號(hào)為0,因此對(duì)應(yīng)于矩形體物體來(lái)說(shuō),Z長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的參數(shù)編號(hào)為3。選擇求解類型為拾取,并設(shè)置拾取自物體6的參數(shù)3。

設(shè)置完成后,在對(duì)應(yīng)參數(shù)的右側(cè)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)字母“P”,這代表該參數(shù)現(xiàn)在為拾取類型的求解值。

打開(kāi)第三個(gè)探測(cè)器查看器,追跡并查看探測(cè)器7的結(jié)果。記得在光線追跡控制對(duì)話框中勾選“使用偏振”選項(xiàng),并在追跡前清空探測(cè)器。

在使用配置為Dell Precision M4800,2.9GHz i7處理器,16GB內(nèi)存的計(jì)算機(jī)時(shí),用Windows 7專業(yè)版操作系統(tǒng)進(jìn)行光線追跡所花費(fèi)的時(shí)間為12秒。

從探測(cè)器查看器中可以看出導(dǎo)光管有效地移除了原來(lái)光強(qiáng)分布中的燈絲像,并使得整體的照度分布更接近均勻:

在NSC實(shí)體模型圖中也可以顯示探測(cè)器的光線追跡結(jié)果。我們建議您通過(guò)用戶手冊(cè)、查閱其他知識(shí)庫(kù)文章和示例文件來(lái)繼續(xù)學(xué)習(xí)OpticStudio在非序列模式下的更多功能。

這篇文章介紹了如何在OpticStudio中創(chuàng)建和分析一個(gè)簡(jiǎn)單的非序列系統(tǒng),主要內(nèi)容有:

• OpticStudio的序列模式和非序列模式有許多主要的區(qū)別,用戶在嘗試開(kāi)始設(shè)計(jì)一個(gè)非序列系統(tǒng)之前需要清楚這些不同

• 布局圖中顯示的光線并不影響探測(cè)器中的光線追跡結(jié)果

• 在追跡分析到達(dá)探測(cè)器的光線時(shí),為了考慮菲涅爾損耗和體吸收效應(yīng),需要在光線追跡時(shí)勾選“使用偏振”選項(xiàng)。

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