ZEMAX：如何創(chuàng)建一個簡單的非序列系統(tǒng)

2020-01-31  by:CAE仿真在線  來源: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)。本文使用的附件請從以下鏈接處下載:

https://customers.zemax.com/support/knowledgebase/Knowledgebase-Attachments/How-to-Create-a-Simple-Non-Sequential-System/Basic.aspx

https://customers.zemax.com/support/knowledgebase/Knowledgebase-Attachments/How-to-Create-a-Simple-Non-Sequential-System/Open_seq_files.aspx

非序列模式下的光線追跡可以實現(xiàn)很多序列模式無法輕易實現(xiàn)的功能。這主要是因為非序列模式中,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:

序列模式

• 主要用來設(shè)計成像系統(tǒng)和無焦系統(tǒng)

• 在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中定義系統(tǒng)的每個表面

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

• 當表面的材料類型為MIRROR時,光線只能被反射。OpticStudio還會計算在折射表面上發(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能量比

• 每個表面都具有屬于它自己的局域坐標系。每個表面在光軸上的位置是相對于它前一個表面來定義的。也就是說鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中的“厚度”欄表示的是下一個表面與當前表面的距離,而不是相對一個全局的參考點的距離

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)或者對成像系統(tǒng)進行雜散光分析

• 物體的表面或體積是在非序列元件編輯器中進行定義的

• 機械零件可以很方便的從CAD軟件導入,這可實現(xiàn)完整的光機系統(tǒng)分析

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

• 除非特別聲明,所有物體都定義在全局坐標系下

• 對于發(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追跡發(fā)生反射的部分光線,以實現(xiàn)同時追跡反射和折射光線,這一過程稱為光線分裂。

• 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、系統(tǒng)孔徑等,在非序列系統(tǒng)中可能沒有意義

• 非序列模式的主要分析功能是基于探測器的光線追跡,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存在與一個系統(tǒng)之中。

現(xiàn)在我們要創(chuàng)建一個非序列系統(tǒng),其中包括一個燈絲光源、一個拋物面反射鏡、一個平凸透鏡,它用來將光線耦合進一個矩形的導光管中,如下圖所示:

我們需要將光線追跡至光學系統(tǒng)中不同位置的探測器,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啟動時默認處于序列模式/混合模式中。如果想要切換到純非序列模式,則在啟動OpticStudio后,點擊設(shè)置 (Setup)選項卡中系統(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。在系統(tǒng)選項 (System Explorer)窗口中選擇波長 (Wavelength),并設(shè)置波長為0.587um:

同樣,在系統(tǒng)選項的單位 (Unit)菜單中設(shè)置單位如下所示(默認設(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。在這個案例中我們選擇默認的輻照度單位的設(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。

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

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

在編輯器中的對應(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滑塊,以找到寫有對應(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)均采用默認值。

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

和上述對應(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處,這樣出射光才會是平行光。我們假設(shè)燈絲線圈在20mm的長度里環(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)
顯示光線條數(shù) (#Layout Rays):20
分析光線條數(shù) (#Analysis Rays):5,000,000
長度 (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。您可以通過在布局圖參數(shù)設(shè)置欄中設(shè)置視圖旋轉(zhuǎn)參數(shù)來改變視角,也可以通過鍵盤的上下左右方向鍵和Page Up、Page Down按鍵來旋轉(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探測器來分析光源在該位置的輻照度分布情況。

第三個物體設(shè)置為矩形探測器并輸入以下參數(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(探測器用反灰度圖的范式顯示數(shù)據(jù))

其他參數(shù)保持默認值。

從布局圖中可以看到光線穿過了探測器,這是因為這里探測器的材料類型是空氣(編輯器中為空白),它對光線來說是完全透明的。

如果要想查看探測器上的光強分布,可以點擊分析選項卡中的探測器查看器 (Detector Viewer):

您會看到,雖然在布局圖中我們可以看到光線到達了探測器的位置,但此時探測器查看器顯示的數(shù)據(jù)仍是空的,總功率也是0。這是因為在布局圖中和探測器查看器中的光線追跡結(jié)果是相互獨立的。如果想要看到探測器上的追跡結(jié)果,我們首先需要執(zhí)行光線追跡,將光線追跡到探測器上。通過編輯器中的“分析光線條數(shù)”參數(shù)來設(shè)置光線追跡的數(shù)量,該參數(shù)的數(shù)值通常很大,在這個示例中為5百萬根光線。需要注意的是,布局圖中的光線不影響探測器查看器中的追跡結(jié)果,只有分析的光線才會產(chǎn)生影響。

如果想要把分析光線追跡到探測器上,點擊分析選項卡中的光線追跡 (Ray Trace)按鈕,打開光線追跡控制 (Ray Trace Control)對話框:

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

探測器查看器會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:

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

您也可以在NSC實體模型圖的設(shè)置中,把探測器選項設(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)添加了一個光源和一個反射鏡,現(xiàn)在我們需要在探測器右側(cè)10mm的位置添加一個平凸透鏡用來偏折光線。在編輯器中的矩形探測器行后插入一行物體,選擇物體類型為標準透鏡 (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,而不是以全局坐標系為參考(即以物體0為參考)的參數(shù)大小810。在以探測器為參考面定義透鏡位置時,無論探測器的位置在哪兒,透鏡永遠保持在探測器右側(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位置的常用技巧。

為了得到匯聚光束的光強分布,在透鏡右側(cè)(Z軸正向)650mm處再添加一個探測器,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)均采用默認值。

點擊分析選項卡中的探測器查看器,將打開的探測器查看器如下圖所示進行設(shè)置:

現(xiàn)在,我們已經(jīng)準備好重新進行光線追跡并分析探測器結(jié)果了。由于材料為N-BK7的平凸透鏡沒有鍍膜,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話框中需要勾選“使用偏振 (Use Polarization)”選項。(需要注意的是,此時沒有勾選“NSC分裂光線 (Split NSC Rays)”選項,因此分析只考慮反射損失的能量,但被反射的能量沒有考慮在探測器能量計算之中。在勾選“NSC光線分裂”時,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,我們需要在探測器5的右側(cè)(Z軸正向)20mm的位置添加一個矩形的丙烯酸 (Acrylic) 導光管。在編輯器的探測器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)均采用默認值。

在材料欄中輸入Acrylic時,您可能會看到如下圖所示的提示信息。點擊“Yes”后OpticStudio會自動將玻璃庫MISC添加到當前系統(tǒng)的玻璃庫中,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物體(物體5矩形探測器)。對于該參數(shù)來說,它和輸入數(shù)字5的結(jié)果一樣的。使用負數(shù)定義目標和參考物體之間的相對關(guān)系是個非常有用的技巧,尤其是在編輯器中需要將一組物體進行復制、粘貼到其他非序列元件編輯器中的時候:

參考物體 (Ref Object):-1(使用相對參考物,以矩形體為參考面)
Z位置 (Z Position):0(稍后我們會改變這個數(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)均采用默認值。

材料類型設(shè)置為Absorb,這使得探測器對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。

由于我們將探測器7作為參考面并設(shè)置Z位置為0,探測器目前位于導光管的前表面上?，F(xiàn)在,我們希望把這個探測器放在導光管的右側(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,而是用一個拾取類型的求解值來給出探測器的Z位置大小。OpticStudio會根據(jù)物體6的厚度自動計算這個厚度,然后再加10mm的數(shù)值,最終定義Z位置的大小。

點擊物體7的Z位置參數(shù)欄右側(cè)的小方塊,打開求解參數(shù)對話框,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)編號為0,因此對應(yīng)于矩形體物體來說,Z長度對應(yīng)的參數(shù)編號為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,在對應(yīng)參數(shù)的右側(cè)會出現(xiàn)一個字母“P”,這代表該參數(shù)現(xiàn)在為拾取類型的求解值。

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

在使用配置為Dell Precision M4800,2.9GHz i7處理器,16GB內(nèi)存的計算機時,用Windows 7專業(yè)版操作系統(tǒng)進行光線追跡所花費的時間為12秒。

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

在NSC實體模型圖中也可以顯示探測器的光線追跡結(jié)果。我們建議您通過用戶手冊、查閱其他知識庫文章和示例文件來繼續(xù)學習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)建和分析一個簡單的非序列系統(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,用戶在嘗試開始設(shè)計一個非序列系統(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器中的光線追跡結(jié)果

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

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