光学系统设计.doc

用ZEMAX实现对光源的仿真要精确地模拟一个照明系统，实现对光源的精确模拟是关键。这里讨论三个问题：一、 如果只知道有关的光源的简单数据，如何模拟？二、 如果已知关于光源的详细数据，又如何模拟？三、 如何模拟一个几何形状复杂的光源？下面从第一个问题开始讨论：若仅知道光源的简单数据，如何对光源进行仿真？打开ZEMAX，将其切换到非序列模式：接下来，完成单位的设置，执行systemgeneralunits有关光能及其计算的问题，要特别注意物理单位。本例中光照度单位采用勒克司。将缺省的非序列物的类型设为source_radial。在ZEMAX中，source_radial代表一个矩形或椭圆形平面光源，它能向半球面空间内发射光线。在半球面内，光线关于本地Z轴呈对称分布，并且光线的强度随角度的分布属立方样条拟合。将null object定义为source_radial是将光源数据输入到ZEMAX的最简单直接的方式。右键单击null object：如下图所示，是美国Lumileds(流明)公司的LED产品LXML-PWW1说明书中提供的发光强度分布曲线。它呈明显的余弦分布。根据上述曲线，我们可以构造这样出表2：表2 LXML-PWW1的空间强度分布度相对强度(任意单位)01005991098159620942590308635824074456850635553604565387028752380168510905说明书上还注明，LXML-PWW1的直径是6mm，典型输出功率是120 lumens。设layout rays数量为30，analysis rays 数量为10000000。将上述参数输入到ZEMAX中：我们得到光源的外形图和灰度度：显然，发光强度的计算结果与说明书中给出的曲线相符得比较好。第二个问题，如果已知光源的详细数据，如何对光源进行仿真。有些LED制造商免费提供ZEMAX Source File格式、有关LED产品的详细光学性能数据。目前已知的这方面的造商有Osram(欧司朗)和Lumileds公司。这是Lumileds公司的页面，从中可很方便地下载到ZEMAX格式的光线文件。下载后，一定要将它以扩展名.dat存到zemaxroot/objects文件夹内。例如，下载到LXML-PWW1_5M_Z.dat这个文件后(它对应的就是Lumileds公司的LED产品LXML-PWW1)，将它存到zemaxroot/objects文件夹内，然后运行ZEMAX，建立一个非序列文件，将object type设为source file:ZEMAX中的source file光源，其光线坐标、余弦和强度都是在由用户提供的文件中定义的，这一特征可以保证在ZEMAX中创建由用户定义的任意光源。在comment column，必须填入包含光线数量的文件名。各参数的含义：Randomize?：如果设为0，将按文件中列出的顺序对光线做常态追迹；如果设为非零值，则每对文件读一次，或NSC编辑器中source object的相关参数每变化一次，光线的顺序就会被重新随机化一次。但如果要对光线做随机化处理，必须是在文件中的光线数量等于或少于1,000,000这个前提下。如果光线数量超过这个数，计算机的内存就处理不了了。Total(units)：该值只用作参考，是用文件中定义的光源单位给出的总功率。该是由ZEMAX自动给出的，用户不要去设定或改变它。每条光线的实际功率是由Power(units)项和所追迹的光线数量决定的。然后给光源加一个Detector Rect探测器。对光源进行追迹，得到的光源的空间和角度特性如下：由上述结果可见，由制造商提供的ray file所包含的信息要比单纯的datesheet丰富，从中可以看出一些精确辅助结构。第三，如何创建几何形状复杂的光源。如上图所示，是光源的mini 模型，由10个部件组成。这个光源文件见zemaxroot/samples/non-sequential/sources/led_model.zmx。其编辑器如下图：这个光源内部由几个object组成，包括：1.LED片，即左图中红色部分 2.电极丝，即右图中红色部分可直接对这种光源模型做追迹，同时可将所产生的光线存到光线数据库中。在光线数据库viewer中(Analysis Database Ray Database Viewer)，可选定测试object，交把入射到该object上的所有光线作为一个新的source object存起来。在需要时，可用source_file object来读取该数据文件。在对几何结构复杂的光源进行模拟时，经常会遇到这样的问题：怎样选择具体数值？例如，在电极丝上应采用怎样的散射函数？支撑结构的反射系数是多少？这些数据都不太容易确定。再有一个问题：我们建立起来的这样一个光源模型，必须与制造商提供的测试数据相符。这就引出另外一个问题，为什么最先采用的不是测试数据呢？一般来讲，测试数据要更精确，也更容易应用。但在某些系统中，特别是在需要将由光源发出的光重新成像到光源中时，要求一个更加精确的光源，此时就需要我们自己给模型输入参数了。当然我们也可以把两者结合起来：我们自己创建光源模型，但光源发出的光线采用制造商提供的测试数据。关于复杂光源的模拟构造可以