Zemax非序列光线追迹

非序列光线追迹

非序列光线追迹是 Zemax 中的核心技术。它是用于在具有多个光学路径的系统中对光线进行追迹的一种强大通用技术。典型用例包括：

1.照明系统，尤其是具有多个或复杂光源的照明系统

2.干涉仪这类系统，其中穿过几个不同光学系统的光线必须以相干方式重组

3.其他序列光学系统中的杂散光分析

非序列范式是任何光线都没有预定义路径。光线射出并投射到光路中的任意物体上，随后可能反射、折射、衍射、散射、分裂为子光线等。与序列光线追迹相比，这是一项更为通用的技术，因此在光线追迹速度方面要慢一些。

在非序列元件编辑器中提供了物体列表。此列表中的物体顺序没有意义（对此有几个例外情况：有关详细信息，请参见几何形状创建一节）。

光线从光源物体开始传播，直至投射到某个物体上，在该点可能会部分反射、透射、散射或衍射：

在此例中，大约 1% 的能量被涂有 MgF

的 N-BK7 棱镜面反射，大约 50% 的能

2

量被两个棱镜相接触的直角斜边面上的膜层反射/透射。系统会发起新光线（称为“子”光线）以带走这部分能量，从而生成能量在系统中的去向的完整视图。

物体

Zemax 中的非序列光线追迹以三维物体为基础。（注意：要求所有程序均支持非序列光线追迹是不现实的。）在 Zemax 中，非序列物体完全由定义该物体所需的所有表面组成。例如，标准透镜物体由正面和背面、连接两面的柱体和边缘上的斜面组成。

多数 Zemax 物体均实现了参数化，这表示这些表面通过下列等式进行了定义。因此，创建和修改很方便，而且仅占用非常少的内存空间。此外，还可以进行优化并确定公差。

有些 Zemax 物体未实现参数化，如 CAD 物体。这些物体只是作为数据文件存在。由于 Zemax 将所有物体均视为三维体，而不是表面集合，所以很容易进行光线追迹和管理大型 CAD 文件。基于表面的代码可能需要成千上万个表面来表示复杂的 CAD 物体：在 Zemax 中，它就是一个物体。但是，不同的表面材料和膜层可应用到一个物体的任何表面，不论使用多少 CAD 实体来予以表示。Zemax 支持 80 多种物体，包括透镜、非球面透镜、棱镜、全息图、Zernike 物体、衍射光栅等。支持物体的完整列表如下所示。此外，还有一系列“运算符”物体，可以从现有物体生成复杂的几何图形。例如，您可以对本地 Zemax 物体

执行布尔运算，形成任意物体数组，扫掠任意轴周围的现有物体以新建物体。几何形状创建部分对此有详尽说明。而且，还可以为不存在适当物体或不能从可用工具创建适当物体的特殊情况创建自己的物体类型。

将物体输入非序列元件编辑器中。物体可相对于全局坐标框架或任何其它物体放置。这样就可以轻松定义子组件。物体可以重新定义为参考物体的任何其它物体框架，在定义位置提供全面的灵活性。

编辑器也可用于为物体提供参数化数据。例如，如果使用透镜物体，则每个表面的曲率半径、厚度和光学材料就需要在编辑器中进行定义。通过电子表格函数（称为解）可以“选取”参数数据，以便锁定属性。例如，在双胶合透镜中，第二个透镜的第一个曲率半径必须等于第一个透镜的最后一个曲率半径。跟随解则简化了这一操作。还可以轻松实施更多复杂的解，从而可在电子表格编辑器中直接执行计算。（请参见知识库文章“如何创建用户定义的解”，了解详细信息）。

创建和定位物体后，即可通过“物体属性”对话框设置详细属性。可以应用光学薄膜和表面散射函数，以及本体散射、梯度折射率、衍射属性等。一般而言，数据会得到控制，而“属性”对话框不会经常改变，通过电子表格编辑器可以输入更多的“定义”数据。

几何形状创建

有时，需要利用提供的物体创建更复杂的物体。例如，您可能需要在一个物体中放置另一个物体。在这种情况下，规则很简单：必须首先在非序列组件编辑器中定义外层物体。无论何时两个或更多物体共享一个体积或边界，始终需要通过列出的最后一个物体定义共享区域的属性。

但是，通过使用“运算符”物体甚至可以创建更多复杂的物体：

1.布尔物体

2.数组物体

3.扫掠物体

4.光源物体

这些物体采用之前定义的物体并加以操作。在这个简单的透镜底座中，布尔物体在之前定义的物体上执行布尔运算：

数组物体可以针对任何之前定义的物体形成数组。在接下来的示例中，我们通过非球面透镜与六角棒进行布尔交叉，形成一个具有六角外形的非球面透镜，然后使用数组物体制作一个 30x30 数组透镜：

相比一个物体而言，数组几乎不会占用更多内存，而光线追迹则比利用多个独立物体定义数组快的多。

扫掠物体可以利用之前定义的物体与平面进行交叉，形成物体与该平面的横截面。然后，横截面可以沿任意点旋转，新建一个“扫掠”物体。在本例中，通过扫掠标准透镜物体形成环形透镜：

最后，任何物体都可以制作成光源。在此红外系统中，蓝色和绿色光线表示真实的“信号”，并在探测器上成像：

第二个红色透镜也会因热辐射而在红外系统中发光。使用光源物体，可以轻松将透镜物体转变为光源。这些光线以红色表示。顶端的红色光线将被光机一体底座轻而易举地阻断，但是请记住，这些光线也有温度，也会发光。（注意：使用光源物体，也可以将 CAD 物体转变为光源）。

底端的红色光线在光学系统内经多次反射后，重新在探测器上直接成像。仅仅通过屏蔽无法消除这种“水仙”信号，需要仔细的光学设计。只有 Zemax 能够提供在相同软件包中管理两种杂散光的工具。

光源模型

光源物体表示光源。Zemax 有许多光源，包括灯丝光源、二极管光源和朗伯光源。多数光源已实现参数化，所以可以根据您的具体要求进行定制，甚至经过优化，可以查找给定应用的理想光源。此外，使用光源物体，可以轻松将任何物体转变为光源。这是自发光体的理想选择，如红外区内的机械元件热辐射。

如需最准确的辐射度或光度评估，最好测量光源数据。Zemax 支持光度数据、Radiant 光源数据文件和 Opsira数据文件的 IES 标准。

探测器物体

探测器物体探测光线照射在空间和角度的分布。数据以实际辐射度和光度单位提供，包括瓦特、流明、勒克司、厘米烛光、英尺烛光等。例如，LED 对平面探测器进行照明：