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ZEMAX非序列模式下的光源类型

2021-12-20 10:37| 发布者：Davis| 查看：15645| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了ZEMAX非序列模式下的光源类型及其设置方式，包括点光源、椭圆形光源、矩形光源、体光源、数据文件以及用户定义型等，同时介绍了光源置于物体内部的方法、所有光源体公用的参数、二极管光源等。此外，还介绍了功率、波长序号、颜色等相关设置。

在ZEMAX非序列模式中，光源包括点光源、椭圆形光源、矩形光源、体光源、数据文件以及用户定义型。

光源可以置于物体内部，或者不在任何物体内部，但是不能同时跨两个物体(光源不能跨物体边界)。

1. 将光源置物体内部

默认情况下，ZEMAX认为光源位于非序列物体组的球形介质内部。

然而，光源可以完全位于任何固体物体内部，或者任何嵌套形固体内部。

光源所在的物体必须在NSC编辑器中光源的前面。

在非序列元件编辑器中光源必须在其所嵌入的物体后列出来。

将光源正确地置于固体物体内部需要两个步骤：

1)必须正确地设置光源的位置和尺寸，这样所有的光线从物体内部开始。这意味着光源不能延伸到它所在物体之外

2)光源所内置的物体序号必须在光源参数的“内置于( Inside of)”栏中进行设置。

有两种方法定义光源所在的物体：通过绝对和相对参考。

如果在“内置于( Inside of)”栏中设置了大于零的正值，那么光源就在指定的物体内。这是一个绝对的参考。

若“内置于( Inside of)”数是负的，那么光源就在物体内部，该物体序号由当前物体序号加这个负的“内置于( Inside of)”栏中的物体序号得到。这是一个相对参考物体。例如，若“内置于(Inside of)”值是-3在光源物体8上，该光源将在物体5内，因为8-3-=5。

相对参考在复制和粘贴光源和物体组时特别有用。例如：如果组中所有的光源和物体都是用相对于组内第一个物体的相对参考，这是最简单的。再例如：若光源在一个物体内，该物体又在第二个物体内，那么第一物体必须在第一个物体的“内置于( Inside of)”数据栏中定义第二个物体序号。如果有很多层的嵌套物体，每个物体必须在“内置于( Inside of)”数据栏中定义它所放置在的物体。所有这些嵌套定义可以是绝对的，相对的或两者的混合。

2. ZEMAX非序列模式下的光源类型

序号	光源名称	Source Type	描述
1	二极管光源	Source Diode	一个二极管阵列,Ⅹ/Y方向有单独分布
2	椭圆光源	Source Ellipse	一个椭圆面可以从一个虚拟光源点发射光线
3	灯丝光源	Source Filament	灯丝形的光源
4	高斯光源	Source Gaussian	高斯分布的光源
5	物体光源	Source Object	由另一个物体的形状定义的光源
6	点光源	Source Point	辐射入圆锥的点光源。圆锥可以是零宽度或扩展的一个整圆
7	辐射光源	Source Radial	一个圆对称光源,基于任意强度s角度数据的样条拟合
8	光线光源	Source Ray	一个点源按方向余弦排列
9	矩形光源	Source Rectangle	一个矩形面可以从一个虚拟光源点发射光。
10	圆柱体光源	Source Volume Cylinder	带有椭圆截面的一个圆柱体光源
11	管光源	Source Tube	圆柱管形的光源。
12	双角光源	Source Two Angle	矩形或椭圆面将光发射到一个在X和Y方向就不同角度的锥角内
13	椭圆体光源	Source Volume Ellipse	椭圆体外形的体光源
14	矩形体光源	Source Volume Rectangle	矩形体外形的体光源
15	DLL光源	Source DLL	通过一个用户提供的外部程序定义的光源
16	EULUMDAT文件光源	Source EULUMDAT File	一个由 EULUMDAT格式文件中的灯泡数据定义的光源
17	IESNA文件光源	Source IESNA File	一个由 IESNA格式文件中的灯泡数据定义的光源
18	输入光源	Source Imported	一个有输入文件定义的光源
19	文件光源	Source File	一个用户定义的光源其光线列于文件中

3. 所有光源体公用的参数

所有类型的光源体的参数1到5有相同的定义，这些参数如下：

1)#输出光线（#Layout Rays）：定义创建视图时发射多少根随机光线。

2)#分析光线(#AnalysisRays)：定义执行分析时发射多少根随机光线。

3)功率(单位)（Power（Unit））：功率是在光源定义范围上的总功率。功率单位由系统光源单位指定。

4)波长序号（Wavenumber）：用于追迹随机光线的波长序号。“0”表示多色，这样会根据在波长数据编辑器中的波长权重随机地选择光线的波长。

5)颜色#（Color #）：绘制来自这些光源的光线所用的颜色。如果是“0”，就是选用默认颜色。

4. 二激光光源（Source Diode）

二极管光源模型可用于定义一个二极管、一个1维或2维二极管阵列。

每一个二极管的光强分布由下式给出：

上式中，α是ⅩZ的发散角，单位为度；G_x是Ⅹ方向的“超高斯”因子G_y是Y方向的“超高斯”因子。

注意：G_x和G_y如果等于1.0，则产生一个典型的高斯分布。G_x和G_y必须大于等于0.01。

大多数LD生产商用θ_fwhm定义远场发散角，ZEMAX中α用1/e²来定义远场发散角。它们的的转换关系如下：

例如：一个二极管的θ_fwhm在X方向为10度，则α_x的值为8.493218度。Y方向同理。

Astigmatism可以定义散光。该值必须为正，并且表示沿Z轴距离XZ分布测量位置的距离。在ⅩY平面上Z=0处，所产生的光线类型是一条沿X轴的线。

如果需要一个二极管阵列，可以定义数目Number X`和Number Y`,以及间距Delta X和Delta Y。二极管可以放置在关于局部坐标原点对称的X和Y方向。

如果像散为零，光线可以从一个点、一条线或一个矩形区域发出。光源发出光线的空间分布由下式给出：

上式中，Sx和Sy分别为X方向和Y方向空间分布高斯宽度；Hx和Hy分别为X方向和Y方向上的超高斯因子。

注意：如果Hx和Hy是1.0，结果是一个典型的高斯分布。Hx和Hy必须大于等于0.01。

注意：如果像散不为零，空间分布项都会被忽略。

Source Diode 参数说明（不包括公用参数）：

Astigmatism：XZ分布的偏移距离，单位为透镜单位；
X-Divergence：X方向发散角，半角，单位为度；
X-SuperGauss：X方向上的超高斯因子；
Y-Divergence：Y方向发散角，半角，单位为度；
Y-SuperGauss：Y方向上的超高斯因子；
Number X`:X方向的Laser Diode的个数；
Number Y`:Y方向的Laser Diode的个数；
Delta X：X方向的Laser Diode间距，单位为透镜单位；
Delta Y：Y方向的Laser Diode间距，单位为透镜单位；
X-Width：发射光线构成矩形区域的X半宽度(Wx)，使用透镜单位。
X-Sigma：X方向空间分布高斯宽度 (Sx) 。
X-Width Hx：X方向空间分布超高斯因子(Hx)。
Y-Width：发射光线构成矩形区域的Y半宽度(Wy)，使用透镜单位。
Y-Sigma：Y方向空间分布高斯宽度 (Sy) 。
Y-Width Hy：Y方向空间分布超高斯因子(Hy)。

5. 椭圆光源（Source Ellipse）

椭圆形光源是一个可以发光的平椭圆形(随意的环形)表面。虽然所发射的每根光线的起始点在椭圆表面上均匀分布，但光线方向的分布可以是下列情况之一：

a)所有光线好像从相对于表面的任何位置的一个光源点发出。光源点的位置由参数列表定义。当使用这种模式时,光源为一个成像的点光源

b)光线的发射服从余弦分布

其中，指数Cn大于等于1，但不需要是整数。

当使用这种模式时，光源为一个漫射的余弦光源。Cn越大，则分布变的越窄。

注意：该分布关于Z轴旋转对称。

c)光线发射服从高斯分布

上式中，l和m是光线沿X轴和Y轴方向的方向余弦，Gx和Gy为常量。这种形式可用于定义一个在X方向和Y方向不同的远场模式。Gx和Gy越大,分布在各自对应方向上变的越窄。

光线分布的种类由参数值来确定。

如果Cn、Gx和Gy均为0，则所有的光线看起来好像是从虚拟的点光源发出。

如果Cn大于等于1，则产生余弦分布(而不管光源位置和GX，Gy如何设置)。

如果Cn为0，但是Gx、Gy非0，则产生高斯分布。

Source Ellipse 参数说明（不包括公用参数）：

X Half Width：X方向半宽度，单位为透镜单位；
Y Half Width：Y方向半宽度，单位为透镜单位；
Source Distance：光源距离，外观光源点在Z轴方向上相对于光源位置的距离。该值可能为正,也可能为负。如果该值为0,则光线被校准。如果该值为正，则外观光源点位于组件物体后方。该情况只适用于Cn、Gx和Gy均为0时
Cosine Exponent：余弦项指数，余弦项的幂。该值就是上述余弦分布表达式中的Cn。当这个参数不为零时，光线余弦不支持索伯采样。
Gauss Gx：高斯常数Gx，高斯分布中Ⅹ项中的常数，如果Cn不为0，忽略该值。当这个参数不为零时，光线余弦不支持索伯采样。
Gauss Gy：高斯常数Gy，高斯分布中Y项中的常数，如果Cn不为0，忽略该值。当这个参数不为零时，光线余弦不支持索伯采样。
Source X：光源X，发射光线的光源点的Ⅹ坐标。如果光源距离为0，则该参数表示校准光束在X方向上的方向余弦。该情况只适用于Cn、GX和Gy均为0时。
Source Y：光源Y，发射光线的光源点的Y坐标。如果光源距离为0，则该参数表示校准光束在X方向上的方向余弦。该情况只适用于Cn、GX和Gy均为0时。
Min X half width：最小X半宽度(单位为长度单位)。用一个大于0，小于X半宽的数定义一个环形区域。当这个参数不为零时，光线坐标不支持索伯采样。
Min Y half width：最小Y半宽度(单位为长度单位)。用一个大于0，小于Y半宽的数定义一个环形区域。当这个参数不为零时，光线坐标不支持索伯采样。

6. 灯丝光源（Source Filament）

灯丝光源可以被看成绕成螺旋状的细导线。该灯丝沿给出的Z坐标长度“L”转“N”次。旋转半径由“R”确定。光线从螺旋上的随机点沿随机方向发出。

Source Filament参数说明（不包括公用参数）：

Length：长度“L”，单位为透镜单位。

Radius：半径“R”，单位为透镜单位。

Turns：转数“N”(无单位)，N可以是小数甚至是负数(表示与螺旋的绕向相反)。螺旋的轴和长度L沿着Z轴的方向。

7. 高斯光源（Source Gaussian）

高斯光源是指从点光源（point source）射出的光线呈高斯分布。

Source Gaussian参数说明（不包括公用参数）：

Beam Size：光束尺寸，光束半径在1/e²的强度，单位为透镜单位。

Position：光线发散显著点（apparentpoint）到光源平面的距离，若该值为零，为准直光线。

8. 物体光源（Source Object）

物体光源创建一个带有基于任何其它“父”物体尺寸和外形的光源。

任何NSC编辑器中在该物体之前的物体都可用于定义物体光源的外形，,包括用户定义的和布尔物体。任何父物体的改变将动态地影响光线在物体光源的分布。父物体的形状用来决定光线的起始位置和方位。

光线在整个物体面积上均匀地分布光线的角分布由下式给出

上式中，θ从指向物体外侧的局部面法线开始测量，x是一个用户定义参数，在0.0和100.0之间。

如果ⅹ=0.0，光线就在所有方向等可能地发射入一个半球。

如果ⅹ=1.0，分布就是朗伯分布。

如果x>=100.0，光线一般垂直于面。

为了得到最好的结果，父物体应该是一个立体。

如果父物体是一个面，光线可以从一个或两个面的侧面发射，取决于父物体到底是怎样定义的。

有两个方法阻止离开光源的光线太快地到达父物体。

第一个方法是设置光源物体忽略定义它的父物体。这将能让光线忽略父物体直到光线离开了光源；

第二个方法是定义一个预传播距离，该距离与键公差相比较大，但与光线在它与光源相互作用之前可能合法传播的距离相比较小。

如果光线和光源体的相互影响是需要的，且光源是凹的或凸的使得离开该物体某一部分的光线在到达其它物体时还能到达该物体的另一部份，那么后一种方法是有用的。

物体光源可以独立于父物体放置。要将物体光源叠加在父物体上，设置物体光源的参考物体为父物体，并将位置和倾斜值置零。

Source Object参数说明（不包括公用参数）：

Parent Object #：父物体#，用于定义光源形状的整数物体序号。这个物体序号必须在NSC编辑器中的物体光源的物体序号之前。

Chord Tol：键公差，键公差决定了光线出发点的位置精度，且影响光源的渲染。要渲染或追迹来自光源的光线，ZEMAX会将输入文件转化为一个三角形列表以近似物体的形状。公差是一个三角形和光源实际面之间最大允许距离。如果公差被设置的越小将生成更精确的渲染，当添加越多的三角形，代价是速度变慢且需要更多的内存。默认值零，将使用一个与物体尺寸相关的键公差，足以应付大多数的运用

Cos Factor：余弦因子，上述余弦幂x。

9. 点光源（Source Point）

点光源是一个点，它所发出的光线在一个锥体内部。锥角可以在0度到180度(将辐射到整个球面)间取值。

Source Object参数说明（不包括公用参数）：

Cone Angle：锥角，指半锥顶角，单位为度。

10.辐射光源（Source Radial）

辐射光源是一个平面、矩形或椭圆形，它发射光线进入一个半球。

光线在这个半球的分布是关于局部Z轴对称的，通过任意强度和角度数据的立方样条拟合来定义。点的数目包含5到181之间的任意整数，角度范围在指定的点数内被等分。

每一点的数据是在光源远场中与那个点相对应的角度测出的相对强度。

从样条拟合发出的光线将会跟随远场光源正确的分布。

Source Object参数说明（不包括公用参数）：

X Half Width：X半宽度，单位为透镜单位。如果比零小,出射区域会是椭圆。

Y Half Width：Y半宽度，单位为透镜单位。如果比零小,出射区域会是椭圆。

Minimum Angle：最小角度，单位为度。值必须在0.0和89.9之间。

Maximum Angle：最大角度，单位为度。值必须在最小角度加0.1和90.0之间。

# Of Points：点数，必须包含5到181之间的数。

I（angle°）：从法线开始在每一个角度处的相对强度数据。

11.光线光源（Source Ray）

光线光源是一个点，它沿着指定的方向余弦发射光线。这对调试很有用，例如，方向余弦可以用于重新创建引起几何错误的光线。

Source Object参数说明（不包括公用参数）：

X/Y/Z Cosine：X/Y/Z余弦，光线在X、Y、Z方向上的方向余弦。这些值可以被自动归一化。

Random Seed：随机种子，如果不是零，随机数发生器会用指定的值再播种。这可以产生同样的光线这就可以有随机但可再生的特性，例如当发生面或体散射时。

12.矩形光源（Source Rectangle）

矩形光源是一个平的矩形面，它能从一个虚拟光源点发射光线。参数与椭圆光源相同，但是光源的形状是一个矩形而不是一个椭圆。

13.圆柱体光源（Source Volume Cylinder）

柱体光源是一个三维立体，在XY平面内形状为椭圆，并且沿Z轴对称延伸。体光源的中心位于物体的原点。光线从柱体内的任意点发出，沿随机方向传播，在发光位置和传播方向上具有均等的概率。

柱体内的点满足以下关系：

上式中，W指在X、Y和Z方向的半宽度。

Source Object参数说明（不包括公用参数）：

X Half Width：X方向的半宽度，单位为透镜单位。

Y Half Width：Y方向的半宽度，单位为透镜单位。

Z Half Width：Z方向的半宽度，单位为透镜单位。

14.管状光源（Source Tube）

管状光源与圆柱体光源相似，除了光线只从管状面发射而不是整个物体上。

Source Object参数说明（不包括公用参数）：

Length：长度，单位为透镜单位。

Radius：半径，单位为透镜单位。

管的对称轴，长度L，沿着Z轴旋转。

15.双角光源（Source Two Angle）

双角光源是能发射光线的椭圆形或矩形平滑表面( flat Surface)。每道发射光线的原点都位于光源表面且呈均匀分布。

光线的角度分布在余弦空间是均匀的或者被投影到一个较远的平面是均匀的。

角分布可以是矩形或椭圆形，每个方向有不同的最大半角值( half angles)。

Source Object参数说明（不包括公用参数）：

X Half Width：X方向的半宽度，单位为透镜单位。

Y Half Width：Y方向的半宽度，单位为透镜单位。

X Half Angle（deg）：X方向的半角，单位为度，表示XZ平面光锥（cone of rays）的半角。

Y Half Angle（deg）：Y方向的半角，单位为度，表示YZ平面光锥（cone of rays）的半角。

Spatial Shape：空间形状，矩形为0，椭圆形为1。

Angular Shape：角形状，矩形为0，椭圆形为1。

Uniform Angle：均匀角度，0表示在投影在一定距离远的平面上均匀照度，1表示在角空间均匀。

16.椭圆体光源（Source Volume Ellipse）

椭圆体光源是一个三维立体光源，它在XY、XZ、YZ平面内形状为椭圆。椭圆体的中心位于物体的原点。光线从椭圆体内的任意点发出，沿随机方向传播，在发光位置和传播方向上具有均等的概率椭圆体内的点满足以下关系：

上式中，W指在X、Y和Z方向的半宽度。

Source Object参数说明（不包括公用参数）：

X Half Width：X方向的半宽度，单位为透镜单位。

Y Half Width：Y方向的半宽度，单位为透镜单位。

Z Half Width：Z方向的半宽度，单位为透镜单位。

17.矩形体光源（Source Volume Rectangle）

矩形体光源是一个三维立体光源，它在XY、XZ、YZ平面内形状为矩形。矩形体的中心位于物体的原点。光线从矩形体内的任意点发出，沿随机方向传播，在发光位置和传播方向上具有均等的概率。

矩形体内的点满足以下关系：

上式中，W指在X、Y和Z方向的半宽度。

Source Object参数说明（不包括公用参数）：

X Half Width：X方向的半宽度，单位为透镜单位。

Y Half Width：Y方向的半宽度，单位为透镜单位。

Z Half Width：Z方向的半宽度，单位为透镜单位。

18.DLL光源（Source DLL）

虽然ZEMAX包括许多种内建光源，但有时最理想的方法是使用定义的算法产生具有所需要特性的光线来建模光源。

ZEMAX还支持以用户定义光源作为光线列表。

为了用程序定义一个光源，产生随机光线的算法必须写出并且编译成 Windows的动态连结程式库(或DLL)。ZEMAX以代码形式提供了大量的DLL库。使用合适的编译器,可以很容易地产生新的DLL。

每一个DLL可以用0到30个用户定义数据作为计算光源特性的参数。这些值由DLL定义且只能用于DLL中。

所有的DLL光源必须放置在ZEMAX主目录的DLL\SOURCES子目录下。

学习DLL光源的最好的方法是研究一个已经存在的DLL并按需要修改它。

19.EULUMDAT文件光源（Source EULUMDAT File）

EULUMDAT光源由测得的实际灯泡的光度数据定义，并用合适的格式存在文件中，这个通常是EULUMDAT格式。文件扩展名必须是LDT并且文件必须放置在Objects\Sources\EULUMDAT目录下。

尽管LDT文件通常包括一个灯的全部光通量的说明，以保持与其它 ZEMAX光源模型的一致，灯泡的总光通量是一个用户定义的参数。

Source Object参数说明（不包括公用参数）：

Luments In File：定义文件中灯泡的总的光通量。

20.IESNA文件光源（Source IESNA File）

这个光源由测得的实际灯泡的光度数据定义，并根据 IESNA标准( IESNA91，IESNA LM63-95,或IESNA LM-63-02)以恰当的格式存在在一个文件中。文件扩展名必须是IES并且文件必须放置在Objects\Sources\IESNA目录下。

尽管IES文件通常包括一个灯的全部光通量的说明，以保持与其它ZEMAⅹ光源模型的一致，灯泡的总通量是一个用户定义的参数。

Source Object参数说明（不包括公用参数）：

Luments In File：定义文件中灯泡的总的光通量。

21.输入光源（Source Imported）

这个光源有一个由重要数据文件定义的外形，格式为IGES、STEP或SAT。该光源体没有属性不要定义初始位置和光线的方向。光线在整个物体上均匀分布。

光线的角分布由下式给出：

其中θ从指向物体外侧的局部面法线开始测量，x是一个用户定义参数在0.0和100.0之间。如果ⅹ=0.0，光线就在所有方向等可能地发射入一个半球。如果ⅹ=1.0，分布就是朗伯分布。如果x>=100.0，光线一般垂直于面。

Source Object参数说明（不包括公用参数）：

Scale：比例，这个无量纲的参数缩放所有输入的体。一旦输入，ZEMAX将自动尝试缩放输入体的维度以匹配ZEMAX中的当前维度，这个缩放因子在转化后加载。

键公差:键公差决定了光线出发点的位置精度,且影响光源的渲染。要渲染或追迹来自光源的光线, ZEMAX会将输入文件转化为一个三角形列表以近似物体的形状。公差是一个三角形和光源实际面之间最大允许距离。如果公差被设置的越小将生成更精确的渲染,当添加越多的三角形,代价是速度变慢,需要更多的内存。默认值零将使用一个与物体尺寸相关的键公差,足以应付大多数的运用

Cos Factor：余弦因子:上述余弦幂x。

22.文件光源（Source File）

文件光源的光线坐标、方向余弦和强度定义于用户提供的文件中。

含有光线数据的文件的文件名必须被放在物体的注释栏中。文件扩展名必须为DAT并且文件必须位于Objects\Sources\Source Files目录下。

Source Object参数说明（不包括公用参数）：

Randomize？：随机标志?，如果设为0，光线将按照文件列表中的通常序列追迹。如果不是0，那么光线次序就被一次性地打乱，当文件被读入或NSC编辑器中的任何参数由于光源物体和光源被更新发生变化时，光线序列将变为随机。如果文件中的光线总数比内存中支持的光源光线最大数要少，只存在随机功能。带有比内存中支持的光线数目大的文件太大以至于内存不能支持且不能被随机化。这个大文件可按需要部分读取。内存支持的光源光线的最大数目是用户定义的参数。

Watts In File：功率，这个值只供参考，并且是文件中所有光线定义的总功率，光源单位。计算这个功率时只考虑分析光线的数目。ZEMAX假设光源文件中的光线功率和当前定义的功率单位是一样的，比如亳瓦或兆瓦。如果当前光源单位是光度的(流明)，当光源文件参数4中定义了单色波长时，则光源文件中以瓦特为单位的功率会被转换成流明单位。注意：如果光源是多色的，以瓦特为单位的功率是没有办法转换成流明的，因为波长会被随机赋值。如果光源是多色的，参数会被设为零。这个值根据读取文件被 ZEMAX设置并且不应该被用户更改或设置。每个光线的实际功率由上述参数3和被追迹光线数和在光源文件中定义的每根光线的相对功率定义。