1  簡介

●  傳統的光線追跡對於“暗區”光通量的計算效率低

●  使用泊松統計學需要大量光線追跡到這些區域才能獲得正確的結果

●  逆光線追跡分析通過光線從關注的區域反向追跡到光源來實現

●  光線的位置和入射角和對應的輻射光源的一致

●  追跡到該區域所有光線的能量疊加，得到的既是總的光能量

輻射測量

●   逆光線追跡的關鍵是精確的輻射數據

●   輻射公式包含了位置和角度

    –  僅滿足遠場條件是不夠的

●   近場近似實際上是降低逆光線追跡的效率

●   因此光源測量必須包括近場和遠場數據

    –   光譜分布也是必須的

 

2  光源測量

光源成像角度計（SIG）

●    SIG 可以在不同的角度獲得測量值

●    在每一個角度:

    –    圖片探測器測得遠場輻射強度

    –    CCD相機捕獲近場成像

    –    測量的光通量轉換為光譜數據

 

 

SIG 陣列成像

●   可以定位封裝的光源

●   評估測量數據與封裝定位之間的關系

 

 

SIG 測量結果

●   數據使用3色LED顯示

●   左圖描述遠場顏色分布，右圖是完整的光譜圖

 

 

3  光線生成

輻射光源模型庫

●   從SIG中獲得測量值並保存在輻射光源模型（RMSX）文件夾中

●   二進製文件中包含了輻射的位置和角度等數據

●   數據會以內插值形式生成輻射數據，包含任意光線的初始位置和方向余弦值

    –     允許定義光源的總能量

光線生成設定

●   在RSMX文件夾中會創建表格形式的光線

      –   使用光學軟件把光線模擬成光源模型

●   光線生成的算法:

      –   生成指定的光線數目

●   光線數目越多越好，但占用更多的內存

      –   創建二維的樣條曲線模擬遠場的能量數據

●   總的通量是一個關於俯仰角和方位角的函數

      –    定義每一方向的追跡光線數目

●    每個成像代表相應的遠場光通量

      –   定義近場每個起點的方向

●    亮區比暗區要生成更多的光線

      –   為每根光線分配波長

●    要和光譜測量及CCD像素成像的數值一致

●    設定生成任意數值光線

      –   按統計學原理選擇相應的光線數目並轉化為和測量值匹配的數據

 

4  傳統分析方法

正向光線追跡

●    一旦光線生成，光線會從光源出發，追跡整個光學系統

●    每個表面會記錄三倍於光通量的數據

●    系統可以優化以獲取希望得到的能量

      –      光的總功率和可約束的分布形式

●    舉例：

      –      光源: 3色LED (RSMX生成一千萬條光線)

      –      系統: 錐透鏡(長5 mm)

      –      探測器: 20 x 20 mm 平面(100 x 100 像素)

Zemax 光源成像

●  可以觀察陣列成像和點亮光源成像

 

 

 

中心與邊緣功率比

●    結果可以在系統輸出視圖裡分析

●    中心─邊緣功率比(簡稱CEPR) 可以從該區域放置的小探測器(200 x 200 mm) 得出

●    5 mm 長的反射鏡, CEPR 數值是11

 

 

優化結果

●    優化反射鏡長度使CEPR 增加到25

●    12核的計算機優化過程用了85秒

●    反射鏡的長度修改為4.2 mm

 

 

CEPR誤差

●    光線追跡到探測邊緣的數目是很少的

      –   系統初始時是50根光線，優化完成後是24根

●    優化之後邊緣的誤差增大了50% (由泊松統計假設)

●    精確的CEPR 要求追跡更多的光線(比例因子為10-100)

      –   會使優化速率明顯地降低

 

5  逆輻射分析

逆光線追跡

●    正向的光線追跡需要大量光線才能獲得暗區的精確數值

●    逆光線追跡是使光線從目標區域反向追跡到光源

      –    在每個感興趣的區域放置小探測器

●   只追跡落入探測器中的光線

      –    效率會顯著提高

 

ReverseRadiance

●   Zemax執行逆光線追跡是通過逆輻射(簡稱RR)這種方法

●   方法假設為:

      –  從探測器上發射的光線必須能反映從光源到探測器的光線的全部光程

      –   要有充足的光線來計算所有的光程

      –   要定義反向追跡到光源的光線數目

      –   要定義每條逆光線對應著的正向光線所攜帶的能量

●    需要從RSMX文件中提取輻射數據

 

ReverseRadiance 物體

●    為了確保反向光線能準確地追跡到光源，往往會用一個封裝了光源的邊界物體

●    在Zemax 的逆輻射方法中已經包含其他指定的物體:

      –   反輻射目標物體: 使得每根從探測器上出發的光線能夠找到邊界物體

      –   反輻射探測器: 定義光線的發射位置

設定Reverse Radiance

●    當光線從RR 探測器發射追跡到光源:

      –   在RSMX文件夾中提取測量的入射角

      –   可以從光源發射光線成像的像素中提取位置

●    分配給光線三倍的能量

●    在下列情況情況計算三倍的光通量:

      –    從RR探測器上到RR目標物體的立體角

      –    從RR目標物體到RR探測器的距離

      –    RR目標物體和RR探測器的方向余弦值

 

ReverseRadiance 取樣

●   從RR中發射的光線數目由以下定義:

      –   RR探測器的像素數目

      –   RR目標物體的像素數目

●   光線是從RR探測器上每個像素的中點發射追跡到RR目標物體的像素中點

●    RR探測器通常會比較小，它的真實性並不重要

●    RR目標探測器上的像素密度要準確

ReverseRadiance 範例

●   使用反輻射分析計算CEPR

●   2 個RR 探測器(中心/邊緣), 200 x 200 mm, 1 x 1 像素

●   1 個RR 目標物體, 7 x 7 mm, 20 x 20 像素

●   標準的CEPR 值(5 mm long 錐透鏡) 是8.5

 

 

CEPR 值精確度

●  注意CEPR的標準值和正向追跡是不一樣的

●   如果光線能追跡到中心和邊緣區域時，反輻射追跡結果會更加準確

●   正向和反向結果的偏差主要是由邊緣的探測器的不同引起的

      –   在RR中超過60%的能量會記錄邊緣探測器上

      –   下面舉例說明正向追跡導致的暗區噪聲

 

RR優化結果

●   優化反射鏡長度之後，CEPR值增加以25

●   在12核的計算機中用時13秒

      –   比正向追跡快了6倍

●   優化後反射鏡長度為3.7 mm

 

 

6  使用方法

暗區控制

●   反輻射追跡是一種很好的計算和控製既定區域能量的方法

      –   特別是暗區的模式，該區域如果使用正向追跡需要大量光線才能得到精確結果

●   反輻射分析方法對於一般的照明系統並不太適用

      –   不能用於大范圍的照明模式的計算

      –   不適用於一個大散射的光學系統

 

7  總結

強大的應用工具

●   反光線追跡使用反輻射分析是一種很有效的分析暗區照明情況的方法

●   指定的物體用於引導反向光線的追跡情況

●   由光源成像角度計測量得到的數據，用於分配追跡到光源的光線能量

●   目前使用的光線正向追跡的方法不服從泊松噪聲

●   使用較少的光線能得到更精確的結果