Ansys Zemax光學(xué)設(shè)計軟件技術(shù)教程：用于照明設(shè)計中的探測器

本課程介紹了照明系統(tǒng)中的探測器，并起著信息中心的作用。本文是照明系統(tǒng)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)路徑第二課的一部分。在本課中，我們將介紹照明系統(tǒng)中各種各樣的探測器以及這些探測器的使用方法。探測器是照明系統(tǒng)的終點(diǎn)，可以說是獲取之前所做的所有工作成果的地方。

作者 Katsumoto Ikeda

引言：探測器的功能是什么

OpticStudio中有六種不同類型的探測器。所有的探測器都可以顯示輻射度學(xué)單位--瓦(Watts)，或者光度學(xué)單位--流明(Lumens)，這與在照明設(shè)計的性能目標(biāo)一文中對單位的討論非常相似。探測器可以用來評價我們正在構(gòu)建的照明系統(tǒng)，就像人眼觀察那樣去測量平面的均勻性、表面的顏色屬性、光源的角譜強(qiáng)度。

對來自光源的非序列光線追跡以產(chǎn)生任意分析結(jié)果。探測器在創(chuàng)建時是空的，即每個像素/體像素中的初始數(shù)據(jù)是0。然后，探測器基于追跡分析的光線積累能量，直到探測器被清除。此外，探測器上獲得的數(shù)據(jù)可以用于優(yōu)化，我們可以基于單個像素的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，或者基于探測器上的平均數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。

正如光源是照明設(shè)計的開始，探測器是將設(shè)計過程整合為可量化的結(jié)果，這些結(jié)果對于設(shè)計的分析和改進(jìn)都是有用的。

不同的探測器

• 顏色探測器(Detector Color)：擁有任意數(shù)量像素的平面矩形探測器。此探測器可以記錄并顯示由三刺激值定義的非相干照明數(shù)據(jù)。此外，該探測器還可以準(zhǔn)確地記錄和顯示照明的顏色。這種探測器是知識庫示例和應(yīng)用中比較常用的探測器類型之一。
  

• 極探測器(Detector Polar)：球面的一部分或完整的球面，用來收集角分布（遠(yuǎn)場）強(qiáng)度數(shù)據(jù)?？梢詫⑼ㄟ^此檢測器收集的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到光源數(shù)據(jù)文件，如IESNA和EULUMDAT。文章如何使用極探測器和 IESNA/EULUMDAT光源數(shù)據(jù)解釋了這種探測器的用法。
  

• 矩形探測器(Detector Rectangle)：擁有任意數(shù)量像素的平面矩形探測器。此探測器可以記錄并顯示非相干、相干、點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)、偏振和其它數(shù)據(jù)。從所提供的分析功能來看，這是一類最強(qiáng)大的探測器，但它僅限于平面矩形形狀。這種探測器是知識庫示例和應(yīng)用中比較常用的探測器類型之一。
  

• 面探測器(Detector Surface)：在徑向和角方向上具有任意數(shù)量像素的圓形或環(huán)形探測器。表面可以遵循平面、球面、圓錐非球面或非球面形狀。面探測器只能記錄非相干照度數(shù)據(jù)。
• 體探測器(Detector Volume)：在局部的x、y和z方向上具有任意數(shù)量體像素的矩形體。可以將體探測器嵌套在任何其它對象內(nèi)部或跨越任何其它物體。此外，還可以疊加多個體探測器，光線穿過各個體像素照射到所有體探測器上。
  

在文章如何三維顯示體探測器數(shù)據(jù)中有一個關(guān)于體探測器分析的例子。

• 物體為探測器(Objects as detectors)：可以將任意形狀的大多數(shù)物體作為探測器來記錄非相干照度數(shù)據(jù)。
  

（探測器的完整功能列表可以通過點(diǎn)擊設(shè)置(Setup)選項(xiàng)卡>編輯器組(Editors Group)(設(shè)置選項(xiàng)卡(Setup Tab))>非序列元件編輯器(Non-sequential Detectors)打開幫助文件中的非序列探測器）。

關(guān)于分辨率和噪聲的說明

在空間分辨率和能量分辨率之間存在權(quán)衡。常見的問題是：“一個固定大小的矩形上應(yīng)該使用多少像素? ”如果我們假設(shè)探測器被均勻地照亮，并假設(shè)每一束照射到探測器上的光線都有相同的光通量：

• 探測器上的信號以每個像素上的光線數(shù)量表示
• 統(tǒng)計噪聲是每個像素上的光線數(shù)量的平方根
  

對于一個擁有10 x 10個像素的探測器，總共有100個像素，分辨率和噪聲的關(guān)系如下：

[td]

	探測10000條光線 （每個像素上有100條光線）	探測1000000條光線（每個像素上有1000條光線）
信號	100	1000
噪聲	SQRT(100) = 10	SQRT(1000) = 31.6
信噪比%	10%	3.16%

從上表可以看出，對于10 x 10的探測器來說，追跡10000條光線是不夠的，而1000000條光線是一個更合理的追跡數(shù)目。信噪比2%是你在實(shí)驗(yàn)室能做到的最好的結(jié)果。一般來說，試圖強(qiáng)迫模擬結(jié)果比這好得多是不明智的。

當(dāng)我們把分辨率增加到100 x 100會發(fā)生什么：

[td]

	探測100000條光線 （每個像素上有10條光線）	探測1000000條光線 （每個像素上有100條光線）	探測10000000條光線（每個像素上有1000條光線）
信號	10	100	1000
噪聲	SQRT(10) = 3.16	SQRT(100) = 10	SQRT(1000) = 31.6
信噪比%	31.6%	10%	3.16%

此結(jié)果表明，對于擁有100 x 100個像素的探測器，要獲得與10 x 10的探測器相同的噪聲水平，需要100倍的光線數(shù)量。這個簡單的計算可以用來估計在一定的信噪比下所需要模擬的光線數(shù)量。在迭代設(shè)計時，最好花“剛好足夠”的時間進(jìn)行模擬，以便求得更低的光線總數(shù)。也可以使用其它方法，如在中間階段使用探測器的平滑參數(shù)以得到平均數(shù)量的光線。由于平滑能夠有效地減少像素數(shù)量，如果您不愿意長時間進(jìn)行光線追跡，那么最好減少像素的數(shù)量，而不是使用帶有平滑參數(shù)的高分辨率探測器。

關(guān)于探測器的實(shí)用文章

在現(xiàn)有的知識庫文章中有一些探測器的使用示例。

如何使用極探測器和 IESNA/EULUMDAT光源數(shù)據(jù)

雖然本文主要演示了如何創(chuàng)建IESNA/EULUMDAT格式的光源文件，但介紹性部分也介紹了如何使用極探測器生成光源文件。這篇文章對于想要使用極探測器來創(chuàng)建光源的用戶來說是很好的資源。

用于創(chuàng)建光源的極探測器是一種通過光線追跡創(chuàng)建固定光線數(shù)據(jù)集的方法。當(dāng)光源比較復(fù)雜時，例如建立的光源模型，光源模型的光線追跡可能需要很長時間。通過創(chuàng)建單獨(dú)的光源，我們可以將極探測器的追跡結(jié)果作為光源文件使用，并在建立光源模型之后對光學(xué)組件使用更多的處理器資源。

如何三維顯示體探測器數(shù)據(jù)

本文展示了如何創(chuàng)建CAD模型來三維顯示體探測器的數(shù)據(jù)。雖然本文使用了ZPL宏來創(chuàng)建數(shù)據(jù)，但是詳細(xì)說明了體探測器的使用。OpticStudio中的體探測器物體是探測物體內(nèi)部光線的便捷工具。它使用體像元或體像素來探測光線。然而，OpticStudio接口目前只允許在二維平面上查看這些體像素。本文將向您展示如何使用OpticStudio在體探測器中創(chuàng)建復(fù)雜的體素CAD模型，并給出示例ZPL宏用于自動創(chuàng)建這些CAD模型。

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