本課程介紹了照明設計中不同的光學模擬方法。您將學習如何按照光線追跡的方式來設置系統，以獲得最佳的設計結果。本課程還提供了一些特定模擬方法的文章鏈接。本課是照明學習路徑的第三課。

作者 Katsumoto Ikeda

理解照明系統中的光線追跡

透鏡的形狀很少僅靠分析計算來確定。在實際應用中，許多光學現象都會對光束產生影響，如菲涅耳損耗（偏振）、色散、材料吸收、漫反射。我們在設計和模擬照明系統時，需要考慮到這些光學現象。對于照明系統的非序列光線追跡，很少需要考慮衍射和干涉，但仍要對光學系統進行仔細的評估。

光線追跡理論：

• 將光看作一束光線

• 光線具有位置、方向、能量、波長

• 不考慮衍射

• Ray追跡

• 光線始于光源

• 當光線擊到表面上時，產生反射和折射改變了光線的屬性（方向、能量）

• 當光線沒有擊到表面上或者光線能量低于閾值時，光線追跡就會結束

原理圖如下：

表示光線未忽略前的流程圖如下圖所示：

在模擬中我們需要考慮的幾個分布參數：

• 光源的角分布

• 光源的空間分布

• 光源的光譜分布

• 漫反射表面的漫反射分布

 

照明設計中常用非序列分析。一束光線中有位置、方向、能量和波長或顏色信息。對于光學系統的模擬，我們使用多束光的統計分析表現來得到我們的結果。光線的隨機性是通過每條光線的分布、設置的光線方向、能量和波長決定的。這種模擬光線的方法稱為“蒙特卡羅(Monte-Carlo)”模擬，即光線是隨機分布的。一束光線中只包含整個光源的一部分信息，如果我們沒有使用足夠的光線進行分析就會導致結果不準確。為了提高信噪比，我們需要提高分析光線的數量。使用多核CPU和GPU可以提高計算速度。

探測器的最佳分辨率與光線數量的相關性在第二課：用于照明設計的探測器中進行了討論。光線數量少會產生大量噪聲，而光線數量太多則會浪費計算資源和時間。

照明設計中可能用到的模擬方法

照明系統的模型越精確，模擬結果越精確：

• 光源：角分布、空間分布、光譜分布、近場分布。

• 系統中的三維物體：其形狀將決定光線的反射和折射。

• 材料：折射率、透射率，以及較小的材料的漫反射參數。

• 表面的光學屬性：光學表面的透射、反射和漫反射將決定光線與表面的相互作用。

正如計算機代碼只做程序告訴它要做的事情一樣，光線追跡的結果只按照我們的設置呈現。結果的準確性取決于我們建立的模型，以及我們在現實生活中對系統組件有多熟悉是非常重要的。另一方面，在建模中考慮太多的細節可能是浪費時間，設計者需要辨別哪些參數是模擬中必需的，哪些可以忽略。雖然很復雜，但是光源的漫反射特性和建模在設計中是至關重要的。

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