非序列光線追蹤的案例
經(jīng)過玻璃平板的非序列光線追跡
虛擬和混合現(xiàn)實(shí)>近眼顯示
任務(wù)/系統(tǒng)描述
亮點(diǎn)
非序列光場(chǎng)追跡，具有可控制的輸入/輸出正向及反向通道邏輯
說明：光源
說明：準(zhǔn)直透鏡
說明：玻璃平板
說明：通道邏輯
說明：探測(cè)器
結(jié)果：3D光線追跡&點(diǎn)列圖
結(jié)果：3D光線追跡&點(diǎn)列圖
結(jié)果：3D光線追跡&點(diǎn)列圖
文件&技術(shù)信息
非序列配置：如何使用光線追跡和場(chǎng)追跡的仿真設(shè)置
摘要
VirtualLab不僅能夠進(jìn)行光線追跡，也可以執(zhí)行場(chǎng)追跡。各種數(shù)值參數(shù)的規(guī)定可以對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行控制。在VirtualLab中，這通常由精度因子的規(guī)范來處理。本示例闡述了如何使用提供的精度因子來控制VirtualLab中的光線追跡和場(chǎng)追蹤引擎，并重點(diǎn)放在非序列仿真的設(shè)置上。
仿真設(shè)置概覽
以下將更詳細(xì)地解釋模擬設(shè)置：
總精度(第二代場(chǎng)追跡)
1 采樣精度
2 傅里葉變換精度
非序列光線/場(chǎng)追跡
3 能量閾值
4 最大級(jí)
5 通道分辨率精度
6 僅顯示在3D視圖中入射探測(cè)器的路徑
1. 采樣精度
? 采樣精度是一個(gè)用于在追跡期間控制光場(chǎng)信息準(zhǔn)確性的參數(shù)。
? 可以通過增加采樣精度因子來克服出現(xiàn)的意外人為現(xiàn)象。
2. 傅里葉變換精度
? 在VirtualLab中有幾個(gè)傅立葉變換算法。
? 根據(jù)場(chǎng)是位于其衍射區(qū)域還是幾何區(qū)域自動(dòng)選擇。
? 小的傅里葉變換精確度（例如0.01）迫使全局使用幾何傅里葉變換，其特點(diǎn)在于比衍射變換快得多。
? 另外，每個(gè)探測(cè)器都可以單獨(dú)強(qiáng)制使用幾何傅里葉變換。
? 可以通過在相應(yīng)檢測(cè)器的編輯對(duì)話框中激活“檢測(cè)器參數(shù)”選項(xiàng)卡下的“假設(shè)幾何場(chǎng)區(qū)域用于檢測(cè)器評(píng)估”復(fù)選框來選擇此項(xiàng)。
3. 能量閾值(非序列光線\光場(chǎng)追跡)
? 能量閾值是非序列追跡引擎的停止標(biāo)準(zhǔn)。
? 對(duì)于光能低于能量閾值的每一個(gè) 非序列光路，沿著路徑的光追跡將不做處理。
能量閾值：方案說明
? 遇到玻璃板時(shí)透射和反射光能的示例性說明。
? 在剩余能量達(dá)到可以忽略的水平之前，通常不需要很多反射。
? 在全反射的情況下，當(dāng)然應(yīng)該考慮許多相互作用。
? 下面顯示了能量閾值影響的一個(gè)例子。
展開 ZEMAX | 如何創(chuàng)建簡(jiǎn)單的非序列系統(tǒng)
本文演示了 OpticStudio 非序列模式下的一些基本操作。它描述了如何在非序列組件編輯器中創(chuàng)建和編輯對(duì)象，如何在布局圖中查看系統(tǒng)，如何在非序列系統(tǒng)中創(chuàng)建光源、透鏡和檢測(cè)器，以及如何執(zhí)行光線追蹤和分析結(jié)果。它還展示了一些創(chuàng)建照明應(yīng)用中常用的光導(dǎo)管和拋物面反射器的示例。
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介紹
在非序列光線追蹤中，有許多功能在順序模式下根本不可用。這主要是由于允許非序列射線與其路徑中的任何對(duì)象相互作用，并且可以分裂成完全可追溯的子射線。在深入探討演示非序列模式功能的具體示例之前，了解 OpticStudio 非序列模式下的光線追蹤非常重要。
非序列光線追蹤
OpticStudio中有2種不同的光線追蹤模式：順序和非順序。順序模式主要用于設(shè)計(jì)成像系統(tǒng)，而非序列模式主要用于照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)和雜散光分析。主要區(qū)別在于，在非序列模式下，用戶未嚴(yán)格按順序指定光線路徑。相反，光線以它們撞擊各種物體和表面的實(shí)際物理順序進(jìn)行跟蹤，這些物體和表面可能不是按表面或?qū)ο蠖x的順序排列的。射線我反復(fù)擊中同一個(gè)物體，而完全錯(cuò)過其他物體。射線也可以分裂成反射的、折射的或散射的子射線，并且可以同時(shí)追蹤子射線。非序列模式下的主要分析工具是檢測(cè)器查看器。它以不同的數(shù)據(jù)格式在探測(cè)器上顯示光線跡線結(jié)果，例如相干或不相干輻照度或輻射強(qiáng)度的空間和角度分布。用戶還可以將光線追蹤結(jié)果保存到 ZRD 文件中，并使用光線數(shù)據(jù)庫(kù)查看器或路徑分析工具進(jìn)一步分析光線路徑。
設(shè)置基本系統(tǒng)屬性
我們將創(chuàng)建一個(gè)非序列系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有燈絲源，拋物面反射器和將光耦合到矩形光管中的平凸透鏡，如下面的布局所示。
我們還將分析射線追蹤到探測(cè)器，以獲得光學(xué)系統(tǒng)中各個(gè)點(diǎn)的輻照度分布。以下是我們最終將生產(chǎn)的內(nèi)容：
要開始使用，請(qǐng)按“設(shè)置”將 OpticStudio 切換到非順序模式...系統(tǒng)...非序列。
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概要
本文演示了 OpticStudio 非序列模式下的一些基本操作。它描述了如何在非序列組件編輯器中創(chuàng)建和編輯對(duì)象，如何在布局圖中查看系統(tǒng)，如何在非序列系統(tǒng)中創(chuàng)建光源、透鏡和檢測(cè)器，以及如何執(zhí)行光線追蹤和分析結(jié)果。它還展示了一些創(chuàng)建照明應(yīng)用中常用的光導(dǎo)管和拋物面反射器的示例。
簡(jiǎn)介
在非序列光線追蹤中，有許多功能在順序模式下根本不可用。這主要是由于允許非序列射線與其路徑中的任何對(duì)象相互作用，并且可以分裂成完全可追溯的子射線。在深入探討演示非序列模式功能的具體示例之前，了解 OpticStudio 非序列模式下的光線追蹤非常重要。
非序列光線追蹤
OpticStudio中有2種不同的光線追蹤模式：順序和非順序。順序模式主要用于設(shè)計(jì)成像系統(tǒng)，而非序列模式主要用于照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)和雜散光分析。主要區(qū)別在于，在非序列模式下，用戶未嚴(yán)格按順序指定光線路徑。相反，光線以它們撞擊各種物體和表面的實(shí)際物理順序進(jìn)行跟蹤，這些物體和表面可能不是按表面或?qū)ο蠖x的順序排列的。射線我反復(fù)擊中同一個(gè)物體，而完全錯(cuò)過其他物體。射線也可以分裂成反射的、折射的或散射的子射線，并且可以同時(shí)追蹤子射線。非序列模式下的主要分析工具是檢測(cè)器查看器。它以不同的數(shù)據(jù)格式在探測(cè)器上顯示光線跡線結(jié)果，例如相干或不相干輻照度或輻射強(qiáng)度的空間和角度分布。用戶還可以將光線追蹤結(jié)果保存到 ZRD 文件中，并使用光線數(shù)據(jù)庫(kù)查看器或路徑分析工具進(jìn)一步分析光線路徑。
設(shè)置基本系統(tǒng)屬性
我們將創(chuàng)建一個(gè)非序列系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有燈絲源，拋物面反射器和將光耦合到矩形光管中的平凸透鏡，如下面的布局所示。
我們還將分析射線追蹤到探測(cè)器，以獲得光學(xué)系統(tǒng)中各個(gè)點(diǎn)的輻照度分布。
展開 
新世聯(lián)科技：NG2-A-7在DAC空氣捕集提取CO2的應(yīng)用
該傳感器采用雙通道非色散紅外檢測(cè)（NDIR）原理，檢測(cè)目標(biāo)氣體發(fā)生光吸收波長(zhǎng)處的凈增長(zhǎng)和凈減少。光強(qiáng)度與氣體濃度相關(guān)。此外，為了確保可靠和穩(wěn)定的測(cè)量，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。該氣體單元采取了非序列光線追蹤技術(shù)，以確保精度和傳感器尺寸之間的最佳折中。并且已實(shí)現(xiàn)以專有的堅(jiān)固外殼，最小化惡劣工業(yè)環(huán)境中的腐蝕影響。Novagas2電子板是擁有超低功耗技術(shù)管理的本機(jī)無線模塊，還是一個(gè)錯(cuò)誤診斷系統(tǒng)以及一個(gè)適用于管理充電和能源回收系統(tǒng)的功率模塊。Novagas2 還能管理氣動(dòng)泵以強(qiáng)制通風(fēng)，或者通過自然擴(kuò)散簡(jiǎn)單工作。
NG2-A-7的參數(shù)
工作量程：0-1000ppm
工作溫度：0°C ~ 50°C 線性補(bǔ)償
工作濕度：0-95%RH(非冷凝)未補(bǔ)償
工作壓力：800-1150hPa未補(bǔ)償
通訊方式：UART
通訊協(xié)議：波特率9600 (默認(rèn)) - 19200 - 38400
輸入供電：9-24VDC, 反極性保護(hù)
輸出信號(hào)：4-20mA，0-5V，UART
精度大小：±1% FS
儲(chǔ)存溫度：-40°C ~ 85°C
預(yù)估壽命：>5 年
三、NG2-A-7的結(jié)構(gòu)
Novagas2變送板是所有NG2型號(hào)的通用板，寬56mm x 48mm。有三個(gè)孔（下圖中為黑色）來按客戶需求固定該板。
Novagas2傳感器有兩個(gè)管接頭。如果氣體在氣體單元內(nèi)偏向某個(gè)方向流動(dòng)，傳感器的測(cè)量性能則最佳。從頂部看Novagas2傳感器，WEIDMULLER（橙色）連接器位于底部，右方的管口是進(jìn)氣口，左邊的則是出氣口。下圖顯示了進(jìn)氣口/出氣口位置，參考?xì)怏w單元和橙色連接器方向，這兩個(gè)口的型號(hào)取決于Novagas2傳感器的型號(hào)。
展開 FRED應(yīng)用說明：照明顯示
最后的階段就是追跡通過導(dǎo)光管的光線來分析模型中任意面的輻照度和點(diǎn)位置，光源甚至可以是位圖（Bitmap）或者字母，同時(shí)可以進(jìn)行吞吐量和均勻性的分析。下圖顯示了上面所提到的第一個(gè)彎曲光管輸出可能范圍，從點(diǎn)列圖到輻照度圖、彩色圖像分析到強(qiáng)度曲線。
下面的彩色圖像顯示了在導(dǎo)光管的RGB LED設(shè)計(jì)中普遍存在的一個(gè)問題。雖然上面的點(diǎn)列圖描述了所有3彩色LED非常好的均勻性，但是該產(chǎn)品上的顏色圖像分析不會(huì)顯示這個(gè)。產(chǎn)生顏色非均勻性的問題是因?yàn)樘囟ǖ腖ED的選擇、視場(chǎng)角和眼睛的視覺響應(yīng)。
LED照明以及彩色圖像能力
每個(gè)波長(zhǎng)都有其相關(guān)的權(quán)重和顏色。在FRED中有內(nèi)置的波長(zhǎng)序列和波長(zhǎng)權(quán)重工具，如明視覺和暗視覺光譜響應(yīng)函數(shù)。該軟件可以將波長(zhǎng)和權(quán)重自動(dòng)地合成來創(chuàng)建一種給定的顏色，這個(gè)功能對(duì)于分析和設(shè)計(jì)需要用色度法計(jì)算的系統(tǒng)是非常有用的。下圖所示的是在一個(gè)面上兩種LEDs的可視化照度圖，還有在一個(gè)面上用三個(gè)LEDs合成的彩色圖像。
還可以使用FRED的數(shù)字化工具來輸入用于二向色性的膜層以及在顯示中的顏色過濾器和抗反射膜層。簡(jiǎn)單地找到一個(gè)膜層的電子圖像（在線目錄中找或者從文件拷貝中創(chuàng)建一個(gè)jpg或bmp文件。然后利用FRED的數(shù)字化功能來輸入X和Y的最小和最大點(diǎn)以及將曲線坐標(biāo)直接導(dǎo)入到一個(gè)靜態(tài)的膜層屬性中去。
背光顯示
背光可以用在諸多顯示設(shè)備中，包括手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理（PDAs）、手表、DVD液晶顯示器、筆記本電腦顯示器、平液晶監(jiān)視器和許多日常生活中發(fā)明的一些新的應(yīng)用。
液晶投影儀
液晶投影機(jī)的是最重要的一個(gè)應(yīng)用，F(xiàn)RED的非序列光線追蹤能力用下圖進(jìn)行了演示。由弧光燈發(fā)射出來的光線分裂為3種RGB顏色并在立方體組合器中重組并創(chuàng)建了計(jì)算機(jī)顯示圖像。
展開 Ansys Zemax | 如何傾斜和偏心序列光學(xué)元件
請(qǐng)注意，由于曲面上有矩形孔徑，因此錯(cuò)過中間窗口的光線將被終止。這是序列模型的重要組成部分。如果要對(duì)錯(cuò)過中間窗口的光線繼續(xù)照射到第三個(gè)窗口的系統(tǒng)進(jìn)行建模，則必須使用非序列光線追蹤（如何創(chuàng)建簡(jiǎn)單的非序列系統(tǒng)）。
恢復(fù) CB 恢復(fù)原始坐標(biāo)軸，以便后續(xù)曲面返回到其原始位置。
手動(dòng)設(shè)置恢復(fù)坐標(biāo)中斷表面的值不是很好的做法，因?yàn)楹苋菀淄浀诙€(gè)CB需要調(diào)整第一個(gè)CB。但是，OpticStudio可以輕松實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，只需單擊第二個(gè)CB的Decenter Y的求解單元格，然后選擇一個(gè)拾取求解將值鎖定到第一個(gè)CB，如下所示：
使用 Decenter X 和傾斜參數(shù)執(zhí)行此操作，但此時(shí)將兩個(gè) CB 的順序標(biāo)志保留為 0。（這是一個(gè)錯(cuò)誤，但我們將在下面中看到原因）。
您應(yīng)該能夠設(shè)置 Decenter X 和 Decenter Y 的任何值，OpticStudio 將在第二個(gè) CB 處恢復(fù)原始坐標(biāo)系。如果您迷路了，請(qǐng)從附加的zip存檔中打開中間步驟2.zmx。我們現(xiàn)在將轉(zhuǎn)向傾斜。
傾斜組件
將第一個(gè) CB 上的所有參數(shù)重置為零。由于拾取求解，第二個(gè) CB 的參數(shù)應(yīng)自動(dòng)將自身設(shè)置為零。然后將第一個(gè) CB 的“傾斜約 X”設(shè)置為 20 度。乍一看，這看起來像是我們需要做的一切，但是當(dāng)仔細(xì)查看Global Vertex報(bào)告時(shí)，很明顯有些地方不對(duì)勁。
x-tilt引入了0.68 mm的y偏角。這是因?yàn)榈诙€(gè)坐標(biāo)斷裂是沿著新的 x 傾斜坐標(biāo)系的 z 的一定距離實(shí)現(xiàn)的。為了引入不偏心的純傾斜，兩個(gè) CB 表面之間必須有零 z 偏移。這是通過在第二個(gè) CB 之前的虛擬傳播來實(shí)現(xiàn)的。
在第二個(gè)坐標(biāo)斷點(diǎn)之后立即插入虛擬曲面。第二個(gè) CB 目前的厚度為 10。將其設(shè)置為 0，并使新虛擬曲面的厚度為 10。
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請(qǐng)注意，由于曲面上有矩形孔徑，因此錯(cuò)過中間窗口的光線將被終止。這是序列模型的重要組成部分。如果要對(duì)錯(cuò)過中間窗口的光線繼續(xù)照射到第三個(gè)窗口的系統(tǒng)進(jìn)行建模，則必須使用非序列光線追蹤（如何創(chuàng)建簡(jiǎn)單的非序列系統(tǒng)）。
恢復(fù) CB 恢復(fù)原始坐標(biāo)軸，以便后續(xù)曲面返回到其原始位置。
手動(dòng)設(shè)置恢復(fù)坐標(biāo)中斷表面的值不是很好的做法，因?yàn)楹苋菀淄浀诙€(gè)CB需要調(diào)整第一個(gè)CB。但是，OpticStudio可以輕松實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，只需單擊第二個(gè)CB的Decenter Y的求解單元格，然后選擇一個(gè)拾取求解將值鎖定到第一個(gè)CB，如下所示：
使用 Decenter X 和傾斜參數(shù)執(zhí)行此操作，但此時(shí)將兩個(gè) CB 的順序標(biāo)志保留為 0。（這是一個(gè)錯(cuò)誤，但我們將在下面中看到原因）。
您應(yīng)該能夠設(shè)置 Decenter X 和 Decenter Y 的任何值，OpticStudio 將在第二個(gè) CB 處恢復(fù)原始坐標(biāo)系。如果您迷路了，請(qǐng)從附加的zip存檔中打開中間步驟2.zmx。我們現(xiàn)在將轉(zhuǎn)向傾斜。
傾斜組件
將第一個(gè) CB 上的所有參數(shù)重置為零。由于拾取求解，第二個(gè) CB 的參數(shù)應(yīng)自動(dòng)將自身設(shè)置為零。然后將第一個(gè) CB 的“傾斜約 X”設(shè)置為 20 度。乍一看，這看起來像是我們需要做的一切，但是當(dāng)仔細(xì)查看Global Vertex報(bào)告時(shí)，很明顯有些地方不對(duì)勁。
x-tilt引入了0.68 mm的y偏角。這是因?yàn)榈诙€(gè)坐標(biāo)斷裂是沿著新的 x 傾斜坐標(biāo)系的 z 的一定距離實(shí)現(xiàn)的。為了引入不偏心的純傾斜，兩個(gè) CB 表面之間必須有零 z 偏移。這是通過在第二個(gè) CB 之前的虛擬傳播來實(shí)現(xiàn)的。
在第二個(gè)坐標(biāo)斷點(diǎn)之后立即插入虛擬曲面。
展開 Ansys Zemax | 利用 Kogelnik 方法模擬體全息光柵的衍射效率
“提高嵌套和布爾對(duì)象的非序列光線追蹤速度”
2.OpticStudio 幫助文件 >“設(shè)置”選項(xiàng)卡 >編輯器組（“設(shè)置”選項(xiàng)卡）>非序列組件編輯器 > 非順序概述 >“對(duì)象放置”>“嵌套曲面”部分
關(guān)于這個(gè)例子的更多討論可以在參考文獻(xiàn)[3]中找到。模擬圖像如下圖所示，可以看到折射率偏移或全息收縮對(duì)圖像的影響。
圖 34. 多色設(shè)計(jì)的圖像模擬和系統(tǒng)的三維陰影模型
非序列模式范例 3
在這個(gè)例子中，我們假設(shè)全息不是我們自己制作的而是買的。假設(shè)供應(yīng)商提供了以下規(guī)格。
全息類型：穿透
設(shè)計(jì)波長(zhǎng)：632 nm
輸入角度：30 度
出口角度：7 度
厚度: 7 mm
平均折射率: 1.5
調(diào)變折射率：0.00005
該器件被設(shè)計(jì)用于：空氣中
由于我們不知道全息的具體制作方法，所以我們需要根據(jù)給定的規(guī)格，用一個(gè)虛擬的建構(gòu)系統(tǒng)來建構(gòu)它。
要做到這一點(diǎn)，首先，我們需要將輸入和輸出角度轉(zhuǎn)換為向量，如下圖35所示，這樣我們才能正確定義系統(tǒng)。
注意，如果需要的話，y軸可以用x軸代替。這要看系統(tǒng)中全息對(duì)象如何放置和旋轉(zhuǎn)會(huì)更為方便。但是，z軸不能用其他軸代替，因?yàn)镈LL模型假設(shè)全像表面在XY平面。
圖 35 YZ平面上的入射與出射向量
F根據(jù)規(guī)格和上圖，我們可以計(jì)算出v在向量為（0，-sin（7deg），-cos（7deg）），v外向量為（0，-sin（30deg），-cos（30deg））。
展開 ZEMAX | 如何用OpticsBuilder執(zhí)行CreoParametric仿真
憑借將 OpticStudio 文件轉(zhuǎn)換為CAD 平臺(tái)兼容的格式，CAD用戶可以使用準(zhǔn)確的鏡頭和光線數(shù)據(jù)來分析和優(yōu)化他們的光機(jī)設(shè)計(jì)——簡(jiǎn)化您的設(shè)計(jì)工作流程，從而節(jié)省開支并縮減通常長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的反復(fù)試驗(yàn)。
在這篇文章中，我們將概述如何使用 OpticsBuilder 執(zhí)行Creo Parametric仿真，并展示 OpticsBuilder 中的一些可用功能，使您的團(tuán)隊(duì)能夠構(gòu)建卓越的光學(xué)產(chǎn)品。
開始仿真
在OpticsBuilder中，提供了仿真功能以開展光線追跡，并提供結(jié)果供您分析系統(tǒng)性能。OpticsBuilder使用了與OpticStudio非序列部分相同的光線追蹤引擎，因此您可以確保結(jié)果準(zhǔn)確無誤。
在Creo中，單擊打開并導(dǎo)航到：
/Documents/Zemax/Samples/OpticsBuilderCreo/Heliar。
1.Open heliar_37mm.asm.
2.In the ribbon, click Simulate.
3.打開heliar_37mm.asm
4.在功能區(qū)中，單擊仿真
Optics
Builder將自動(dòng)執(zhí)行以下步驟：
1. 確保所有光學(xué)元件都包含在仿真中功能中
2. 將每個(gè)沒設(shè)置散射屬性的機(jī)械零件定義為black anodized散射
3. 進(jìn)行第一次光線追跡，記錄光學(xué)系統(tǒng)的追跡結(jié)果
4.
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