Ansys Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件技術(shù)教程：用于照明設(shè)計(jì)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(jì)的性能目標(biāo)一文中對(duì)單位的討論非常相似。探測器可以用來評(píng)價(jià)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(duì)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(shí)是空的，即每個(gè)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(gè)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(jì)的開始，探測器是將設(shè)計(jì)過程整合為可量化的結(jié)果，這些結(jié)果對(duì)于設(shè)計(jì)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(shí)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)。可以將通過此檢測器收集的數(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(shí)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(duì)象內(nèi)部或跨越任何其它物體。此外，還可以疊加多個(gè)體探測器，光線穿過各個(gè)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(gè)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(gè)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(hào)以每個(gè)像素上的光線數(shù)量表示
• 統(tǒng)計(jì)噪聲是每個(gè)像素上的光線數(shù)量的平方根
  

對(duì)于一個(gè)擁有10 x 10個(gè)像素的探測器，總共有100個(gè)像素，分辨率和噪聲的關(guān)系如下：

[td]

	探測10000條光線 （每個(gè)像素上有100條光線）	探測1000000條光線（每個(gè)像素上有1000條光線）
信號(hào)	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(duì)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(gè)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(huì)發(fā)生什么：

[td]

	探測100000條光線 （每個(gè)像素上有10條光線）	探測1000000條光線 （每個(gè)像素上有100條光線）	探測10000000條光線（每個(gè)像素上有1000條光線）
信號(hào)	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(duì)于擁有100 x 100個(gè)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(gè)簡單的計(jì)算可以用來估計(jì)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(jì)時(shí)，最好花“剛好足夠”的時(shí)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?cái)?shù)量，如果您不愿意長時(shí)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(shí)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(duì)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(shí)，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(shí)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(duì)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(dòng)創(chuàng)建這些CAD模型。

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