OAS 光学分析软件 | 如何创建一个简单的非序列系统

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这篇文章介绍了 0AS 非序列模式中的一些基本操作。主要包括：在非序列元件编辑器中添加和编辑物体；在布局图中观察系统以及利用光线追迹获取系统相关的数据；如何在非序列系统中创建光源、透镜和探测器；如何进行光线追迹以及分析追迹结果。此外，这篇文章还展示了创建照明应用中常用的导光管和抛物面反射镜的实例。

简介

非序列模式下的光线追迹可以实现很多序列模式无法轻易实现的功能。这主要是因为非序列模式中，光线能够和任何位于其路径上的物体相互作用，并且可以分裂成很多可追迹的子光线。但是在进入到具体的非序列模式功能展示示例之前，我们首先需要梳理一下非序列模式和序列模式之间基本的区别。

非序列模式光线追迹

OAS 中有两种不同的光线追迹模式——序列模式和非序列模式。序列模式主要用于设计成像系统，而非序列系统主要用于设计照明系统或对成像系统进行杂散光分析。二者的关键区别是，非序列模式中，光线遵循物理效应追迹路径，来判断光线会与哪个物体或表面相交，而不像序列模式中严格规定光线与多个表面的相交顺序。非序列模式光线可能会与一个物体多次相交也可能完全不经过某个物体。一根光线也能够经过反射、折射和散射分裂出多根子光线，子光线也能够同时进行追迹。非序列模式中最重要的分析工具是探测器 它能以不同的形式显示光线追迹的结果，如角度或空间的相干或非相干辐照度或辐射强度等。用户还可以勾选记录光线轨迹，进而使用光线收集或者光线轨迹进一步分析光线路径。

设置系统的基本属性

现在我们要创建一个非序列系统，其中包括一个灯丝光源、一个抛物面反射镜、一个平凸透镜，它用来将光线耦合进一个矩形的导光管中，如下图所示：

我们需要将光线追迹至光学系统中不同位置的探测器，以获得系统不同位置处的照度分布。这是我们最终得到的结果，如图所示：

创建反射镜

在开始设计的第一部分中，我们要创建一个灯丝光源，并用一个抛物面的反射镜让光线准直地出射。然后我们需要在相隔一段距离的位置放置一个探测器以查看光源在此位置的辐照度分布。
首先创建一个空白文档，以一个圆锥面作为反射镜，设置曲率半径为100，圆锥常数为-1，X/Y孔径为150mm,孔径比例为0.133，材料设置为 MIRROR，膜层设置为全反射，结构参数如下表所示,其他参数均采用默认值。

创建光源

我们希望灯丝光源位于抛物面反射镜的焦点处，灯丝位置为（-30，0，50），这样出射光才会是平行光。我们假设灯丝线圈在20mm的长度里环绕了10圈，并且环绕半径为5mm,在 OAS 中创建灯丝模型，高度为1mm，卷曲数为10，X/Y 半径均为5mm，其他参数按照默认设置；如图所示：

旋转光源

目前灯丝光源的方向是沿着 Z 轴排布的，如果我们想让它沿着 X 轴排布，就需要把光源绕 Y 轴自转90度。在参数栏中输入90：

灯丝模型设置完成后，在 OAS 中使用物体光源选项将灯丝模型设置为光源，如下图所示，其他参数按照默认设置。

放置探测器

下面我们需要在离光源一定距离的地方放置一个探测器来分析光源在该位置的辐照度分布情况。
建立一个 X/Y 半孔径均为150的矩形平面，坐标位置为（0，0，800），创建完成后，创建探测器并赋在该平面上，探测器分辨率为150X150，如下图所示：

YZ截面视图（默认）如下图所示：

从布局图中可以看到光线穿过了探测器，这是因为这里探测器的材料类型是空气（编辑器中为空白），它对光线来说是完全透明的。

追迹光线至探测器

查看探测器上的光强分布，如图所示：

在这个示例中为一千万根光线的探测器辐照图结果图。

添加平凸透镜

目前，我们已经添加了一个光源和一个反射镜，现在我们需要在探测器右侧10mm的位置添加一个平凸透镜用来偏折光线。在矩形探测器后添加一个前曲率半径为300mm，孔径为150mm，厚度为70mm，材料为N-BK7的透镜，参数设置如图：

需要注意的是，我们是以全局坐标系为参考。在以探测器为参考面定义透镜位置时，无论探测器的位置在哪儿，透镜永远保持在探测器右侧（Z轴正向）10mm的位置处。这也是在非序列模式中定义物体间相对位置的常用技巧。

为了得到汇聚光束的光强分布，在透镜右侧（ Z 轴正向）650mm处再添加一个 X/Y 半孔径为100mm的平面2，将探测器建立在平面2上，探测器分辨率为150，其他参数均采用默认值。

更新三维布局图：

追迹光线并计算损失

现在，我们已经准备好重新进行光线追迹并分析探测器结果了。由于材料为N-BK7的平凸透镜没有镀膜，我们需要考虑光线在透镜表面的反射损耗（菲涅尔反射），现在，探测器查看器中展示的总功率考虑了反射损耗和透镜中的体吸收效应：

添加矩形导光管

最后一步，我们需要在平面2的右侧（Z轴正向）20mm的位置添加一个矩形的丙烯酸 (Acrylic) 导光管。导光管的X/Y半孔径为70mm，长度为2000mm，其他参数均采用默认值。

在OAS中添加材料时，打开材料管理，在相应的搜索栏输入材料名称，找到对应材料即可进行添加。

在导光管右侧再添加一个探测器，建立一个X/Y半孔径为150mm的矩形平面，膜层设置为全吸收，这使得探测器对光线而言是不透明的，我们可以从布局图上看到光线被吸收；全局坐标为（0，0，3490），按照之前探测器的设置将探测器附在平面3上探测器分辨率为150X150。其他参数均采用默认值。
建立一个挡板，防止光线经过探测器2后未经过导光管照射在探测器3上对探测器结果产生影响。创建一个外孔径为150mm，内孔径为70mm的矩形挡板，全局坐标为（0，0，1480），膜层设置为全吸收，确保到达挡板的光线被完全吸收。

完整追迹整个系统

整个系统搭建完成，接下来开始进行光线追迹，选择非序列光线追迹，OAS在追迹完成后会在三维窗口显示当前光线追迹结果，输出窗口光线信息；并依次显示探测器的结果。从探测器中可以看出导光管有效地移除了原来光强分布中的灯丝像，并使得整体的照度分布更接近均匀：

总结

这篇文章介绍了如何在OAS中创建和分析一个简单的非序列系统，主要内容有：
OAS的序列模式和非序列模式有许多主要的区别，用户在开始设计一个非序列系统之前需要清楚这些不同；布局图中显示的光线并不影响探测器中的光线追迹结果;创建几何体的两种位置设定：包括相对位置坐标和全局位置坐标；如何在某一平面上添加探测器及设置探测器分辨率。