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：

的 N-BK7 棱镜面反射，大约 50% 的能在此例中，大约 1% 的能量被涂有 MgF

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：

最常用的探测器类型是“矩形探测器”，探测矩形表面上的相干或非相干照明。体探测器可以用来测量体对象内的吸收能量。许多物体也可以用作探测器。

探测器可以设置成对照射在物体上的光线的吸收。在本例中，第一个探测器位于聚光器的膜面上（因此，显示出均匀的发光强度分布）。该探测器设置成不干扰通过的光线。第二个探测器（显示出光源物体的图像）设置成终止光线追迹。

可以将探测器数据读入评价函数进行优化，如探测查看器所示，或者复制出Zemax 以其它代码（如 Excel 或MATLAB?）进行分析。

分光

当光线从一种折射率的介质传播到另一种折射率的介质时，由于光线在两种介质中的速度不同，就会发生部分折射。这意味着部分能量会被传播，部分能量会被反射。另外，某些能量会丢失（吸收），尤其是界面上有金属膜层时。

有时，部分反射称为菲涅尔反射。Zemax 拥有从裸露和覆膜表面（包括复杂的多层膜层）发生菲涅尔反射的复杂模型。请参见偏振和光学薄膜章节，了解详细信息。

当光线与物体表面交叉时，Zemax 会计算界面传播、反射和吸收的能量比例。然后，利用正确的相对能量将光线分裂为两部分：反射的光线和

传播的光线。

下面是分光镜示例：

的 N-BK7 棱镜面反射，大约 50% 的能在本例中，大约 1% 的能量被涂有 MgF

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。分光是在光学系统和许多照明系统中理解杂散光的一项关键技术。Zemax 提供了全套分光建模。除了全面的模型，Zemax 还支持分光概率模型，成为简单分裂。这一相对简单的模型在类似增亮片这样的照明系统中具有优势。

光线散射

除了表面部分反射之外，光线还可能因表面的微观粗糙现象而发生散射。Zemax 支持从光学表面散射的许多详细模型，包括朗伯（用于非常粗糙的高散射度表面）、高斯（通常用于针对良好抛光表面和 ABg 进行散射建模），主要用于输入测量的散射函数。此外，还有一个强大的用户定义散射函数功能，可以添加自己的散射分布函数。

在这种情况下，散射分布函数是一种 ABg 分布：

Zemax 可以灵活控制如何处理光线散射。您可以逐个物体地定义 Zemax 是否应决定散射光线，或者是否应始终启动非散射光线和指定数量的散射光线。这是上述第一个屏幕快照中要完成的任务：输入光线分裂为镜面（非散射）光线以及从散射分布函数中随机选择的三条散射光线。能量在所有光线之间正确分布。您还可以利用其它控制功能，定义散射光线只能沿着规定的轨迹移动，从而极大地降低建立适当信噪比所需的光线数量。

在处理从机械 CAD 软件包导入的物体时，区分 CAD 物体的不同区域往往非常重要。Zemax 可以将多个不同散射函数放在 CAD 物体的不同表面。

在本例中，红色表面是平滑的光质注塑塑料，银色表面则具有火花侵蚀模具产生的粗糙、散射表面。Zemax 为您提供了一个简单的点击界面，可以轻松地将不同散射函数应用于 CAD 物体的不同表面。

除了从物体表面散射外，Zemax 还支持详细的体积（或本体）散射模型，其中，光学材料中的内含物可造成散射。例如，这是对光学材料缺陷效果或生物组织散射的建模的理想选择。

光线追迹数据分析

分析非序列系统中光线追迹结果的主要方法是使用探测器物体。当光线投射

到探测器物体上时，光线的位置、角度、能量和光路长度都会存储到系统中，以便通过探测查看器的分析功能生成下列分析。Zemax 可以生成辐射度和光度分析。下表在括号中显示光度折算值：

1.非相干辐射照度（非相干照度）

2.相干辐射照度（相干照度）

3.相干相位

4.辐射光强度（发光强度）

5.位置空间辐射亮度（位置空间亮度）

6.角度空间辐射亮度（角度空间亮度）

此外，体探测器还提供：

1.入射光通量

2.吸收光通量

3.吸收光通量/单位体积

测量光通量的单位（辐射度或光度）。

光线也可以保存到光线数据库以供后续分析。灵活的滤光片可让您定义光线必须满足的标准（例如，显示从物体 3 散射的所有光线，然后从物体 40 反射，然后投射到探测器物体 15 上）。这可以轻松生成光线子集，无需重复光线追迹计算。光线集可以单独分析，也可以用于定义光源数据文件。

在 Zemax 中，可以分析所有探测器数据，然后读入评价函数，以便进行优化和确定公差。数据也可以直接读入 ZPL（Zemax中的内置编程语言）和外部程序（如MATLAB? 或 Excel）。

光线追迹优化

因为大多数 Zemax 物体已实现参数化，而且可以将探测器数据轻松导入评价函数，因此可以使用 Zemax 优化照明系统。请参见主要优化章节了解详情，或者参见下列知识库文章了解具体内容。

Zemax非序列光线追迹模板

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：

的 N-BK7 棱镜面反射，大约 50% 的能在此例中，大约 1% 的能量被涂有 MgF 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

使用ZEMAX设计的典型实例分析

使用ZEMAX于设计、优化、公差和分析 武汉光迅科技股份有限公司宋家军（QQ：41258981）转载并修改 摘要 光学设计软件ZEMAX的功能讨论可藉由使用ZEMAX去设计和分析一个投影系统来讨论，包括使用透镜数组(lenslet arrays) 来建构聚光镜(condenser)。 简介 ZEMAX以非序列性(non-sequential) 分析工具来结合序列性(sequential) 描光程序的传统功能，且为一套能够研究所有表面的光学设计和分析的整合性软件包，并具有研究成像和非成像系统中的杂散光(stray light) 和鬼影(ghosting) 的能力，从简单的绘图(Layout) 一直到优化（optimization）和公差分析（tolerance analysis）皆可达成。 根据过去的经验，对于光学系统的端对端（end to end）分析往往是需要两种不同的设计和分析工具。一套序列性描光软件，可用于设计、优化和公差分析，而一套非序列性或未受限制的(unconstrained) 描光软件，可用来分析杂散光、鬼影和一般的非成像系统，包括照明系统。 “序列性描光程序”这个名词是与定义一个光学系统为一连串表面的工具有关。所有的光线打到光学系统之后，会依序的从一个表面到另一个表面穿过这个系统。在定义的顺序上，所有的光线一定会相交到所有的表面，否则光路将终止。光线不会跳过任何中间的表面，且光线只能打在每一个已定义的表面一次。若实际光线路径交到一个表面上超过一次，如使用在二次描光(double pass) 中的组件，必须在序列性列表中，再定义超过一次的表面参数。 大部份成像光学系统，如照相机镜头、望远镜和显微镜，可在序列性模式中完整定义。对于这些系统，序列性描光具有许多优点：非常快、非常弹性和非常普遍。几乎任何形状的光学表面和材质特性皆可建构。在成像系统中，序列性描光最重要的优点为使用简单且高精确的方法来做优化和分析。序列性描光的缺点，包括无法追迹所有可能的光路径(即鬼影反射) 和许多无法以序列性方式来描述的光学系统或组件。 非序列性描光最常用来分析成像系统中的杂散光和鬼影，甚致分析照明和其它非成像系统。在非序列性描光中，光线入射到光学系统后，是自由的沿着实际光学路径追迹；一条光线可能打到一个对象(object) 许多次，而且可能完全未打到其它对象。此外，非序列性方法可用来分析从光学或机构组件产生的表面散射(scatter)，以及从场内(in-field) 和场外(out-of-field) 的光源所产生的表面反射而形成的鬼影成像。 ZEMAX的功能 ZEMAX可以用于一个完全序列性模式中、一个完全非序性模式中和一个混合模式中，混合模式对分析具有大部分序列性而却有一些组件是作用在非序列性方式的系统，是相当有用的，如导光管(light pipes) 和屋顶棱镜(roof prisms)等。

光线追迹

第五章光线追迹 5.1 光线追迹概述 设设和分析光学系统需要计算大量的光线，这一点我们在前面已经强调多次了。在近轴光学中已经讨论了近轴光线追迹和子午面内的光线追迹、光线经过表面后的路径可用折射定律和反射定律求出来，然后利用转面公式，转到下一面的量，继续计算。光学计算经历了一个较长的历史过程。追迹光线最早是用查对数表的办法，速度很慢，不但需要一套追迹光线的公式，还要有相应的校对公式，以便核对所迫迹的光线是否正确，有时候还需要两个人同时追迹同一条光线、以便进一步核对。这样—来，追迹一条通过一个折射表面的子午光线路要3到10分钟。后来出现了台式手摇计算机，追迹光线的速度有所提高，但由于光线的计算量太大，特别是结构比较复杂的光学系统。往往要花费光学设计者大量的时间来进行光学计算。而且那时所追迹的光线基本上仅限于近轴光线和子午光线，因为空间光线计算起来实在太复杂丁。20世纪60年代末期以来，出了计算机的发展和逐步普及，光学计算的速度加快了。由于最初的计算机需要输入二进制的数据，这样就要用穿孔机在条带上穿出成千上万个孔而不许有任何差错，这是件十分困难的事情。后来由于个人计算机的出现和迅速普及，才真正地把光学设计者从繁冗的、单调的光学计算中解脱出来，使光学设计者有足够的精力和时间去考虑光学总体结构和优化设计，从而为提高光学系统购整体质量和性能价格比创造了条件。由于光学计算经历了—个由手算到自动计算的历史演变过程，因此出现了适应于不同阶段的光线追迹公式。我们在这里提供的公式是适合于电子计算机的。因为查阅对数表进行光学计算的时代早已成为历史，相应的适合于用对数表计算光线的公式也就基本上没有实用价值了。 光线追迹要解决的问题是：给定一个光学系统的结构参数，如半径、厚度或间隔、折射率等，再给出入射到光学系统的光线方向和空间位置(也就是目标的位置)，最后求出光线通过该系统后的方向和空间位置。 光线追迹计算通常要经历下面4个步骤。 1) 起始计算：这一步的目的是在给出光学系统结构参数的基础上能够进入系统，给出光线的初始位置和方向。 2) 折射计算：这是光线追迹的关键一步，确定光线经过表面折射(或反射)后的分向和位

zemax非序列混编实例

混合式非序列(NSC with Ports) zemax 目录 [隐藏] ?1混合式非序列(NSC with Ports) zemax ?21-1 混合式非序列 ?31-2 例子－混合式非序列 ?41-3 出口埠 ?51-4 非序列组件 ?61-5 对象属性 ?71-6 非序列性透镜对象 ?81-7 复制对象 ?91-8 定义多焦透镜 ?101-9 表面折射 ?111-10 空气透镜 ?121-11 调整焦距参数 ?131-12 多焦透镜 ?141-13 运行优化 ?151-14 带状优化 ?161-15 目标局部 ?171-16 光线目标 ?181-17 系统性能 ?191-18 运行影像分析性能之优化 ?201-19 设罝变数 ?211-20 最终设计 混合式非序列(NSC with Ports) zemax

1-1 混合式非序列 在NSC with Port的设计中，系统使用序列性模式中所定义的系统孔径(System Aperture)与场(Field)。光线从每个被定义的场点(Field Point)射向系统孔径，并且穿越非序列性表面(NSC Surface)前的所有 序列性表面。 随后光线进入非序列性模式的入口端口(Entry Port)，并开始在非序列对象群(NSC Group)中进行传播。 当光线离开出口埠(Exit Port)将继续追迹剩余的序列性表面，直至成像面。 非序列性对象群可透过多个非序列性表面进行定义。NSC with Ports常常被用来仿真不易建立于序列性模式的光学组件。在此我们将着重在多焦透镜(Multi-Focal Lens)上：曲率半径为孔径位置的函数之 光学组件。这个透镜将有四个不同的局部。 1-2 例子－混合式非序列 在功能列中单击「New」按钮来开启新的LDE(Lens Data Editor)。 开启一般资料对话框(General Data Dialog，System->General)，在孔径页里设罝： l 孔径型态：入瞳直径(Entrance Pupil Diameter)； l 孔径尺寸：38 mm。

变折射率介质中光线追迹通用算法的研究

第25卷　第5期 2005年5月 光　学　学　报ACTA OP TICA SIN ICA Vol.25,No.5 May ,2005文章编号:025322239(2005)05258924 变折射率介质中光线追迹通用算法的研究3 黄战华　程红飞　蔡怀宇　赵海山　张尹馨 (天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300072) 摘要:　基于几何光学的光线折射和反射原理提出了变折射率介质中的光线追迹算法,给出了在光线追迹过程中进行递推的反射光线和折射光线的方向余弦方程;解决了空间中法线的确定和光线回转等问题。最后通过对多种不同的存在解析解的特殊折射率分布的数值解值和解析解值的比较,验证了算法的正确性,并且讨论了应用算法时应该注意的问题和算法中还有待解决的问题。该算法不但具有广泛的适用性,基本不受折射率分布的制约,而且其数值解精度达10-5。该算法在变折射率介质的光学设计和空间成像补偿等方面有着广阔的应用前景。关键词:　几何光学;折射率;通用算法;光线追迹;方向余弦中图分类号:O435.1 文献标识码:A 　3国家自然科学基金(60377001)资助课题。 作者简介:黄战华(1965～),男,天津大学教授,主要从事光学图像处理和模式识别、光电技术等方面的研究。 E 2mail :zhanhua @https://www.wendangku.net/doc/3d18546507.html, 收稿日期:2004208219;收到修改稿日期:2004211209 A S t u dy o n U ni ve rs al R a y Tr aci n g Al go ri t h m i n t he Medi u m of V a ri a ble Ref r act i ve I n dex Huang Zhanhua Cheng Hongfei Cai Huaiyu Zhao Hais han Zhang Y inxin Key L abor ator y of Op toelect ronic I nf or m ation Tech nological Science ,Mi nist r y of Ed uca tion ,College of Precision I nst r u men t a n d Op toelect ronic Engi neeri ng ,Ti a nji n U niversit y ,Ti a nji n 300072 Abs t r act :　An algorithm of ray tracing based on light ray ref raction and reflection in geomet rical optics in the medi 2um of variable ref ractive index is p roposed and a recursive direction 2cosine equation of reflected light and ref ractive light for ray t racing in the medium of variable ref ractive index is carried out ,In the algorithm ,some p roblems ,con 2firmation of normal line ,light turning etc.,are resolved.At last its correct ness is validated by comparing numerical value and analytic value of several different special dist ribution of ref ractive index of analytic solution ,f urthermore some p roblems in the during of applying the algorithm and under solution in the algorithm are discussed.Not only the algorithm has extensive feasibility and is independent of dist ribution of ref ractive index ,but also its numeric p recision is about 10-5.The application of the algorithm is p rospective in the many cases ,such as optical designing and spatial imaging compensation of variable ref ractive index. Key w or ds :　geomet rical optics ;ref ractive index ;universal algorithm ;ray t racing ;direction cosine 1　引 言 均匀折射率介质中的光线追迹是光学设计计算 的主要手段。对于变折射率介质中的光线追迹研究才开始起步[1,2]。主要方法是先简化光线方程,再用数值方法求解。但是这种方法的适用范围狭窄。本文提出了一种光线追迹算法。该算法从几何光学的基本原理———折射和反射规律出发,导出光线的空间折射和反射方程,由此得到空间中光线的轨迹。该算法不受折射率分布的制约,对各种分布均能得到满意的数值解。可以应用在变折射率介质的光学系统设 计上,也可以应用在变折射率空间成像补偿上。由于摄像距离、温度分布和大气成分的变化,空气不再均匀时,会导致成像质量下降。这时可通过本算法计算得到物点和像点的对应关系进行图像补偿。 2　算法描述 一束光线在均匀折射率的介质中是沿直线传播的,但在变折射率介质中将沿曲线传播。将变折射率介质分成很多小段,并且认为光线仅在各小段的边界

zemax非顺序系设计教程

如何创建一个简单的非顺序系统 建立基本系统属性 我们将创造出一个带点光源的非序列系统，抛物面反射镜和一个平凸透镜镜头耦合成一个长方形光管灯，如下面的布局显示。 我们还将跟踪分析射线探测器获得光学系统中的各点照度分布。下面是我们最终将产生：

如果ZEMAX软件没有运行，启动它。 默认情况下，ZEMAX软件启动顺序/混合模式。要切换到纯非连续模式，运行ZEMAX软件，然后点击文件“>非序列模式。 一旦纯非连续模式，在编辑器窗口的标题栏将显示非连续组件编辑器而不是在连续模式时只用于连续或混合模式系统的镜头数据编辑。

对于本练习，我们会设置系统波长，点击系统>波长，指定波长0.587微米。 我们还将在系统设置单位，System>General /Unit tab “一般组标签如下（默认）(default).。

除辐射辐照装置单位如Watt.cm -2外，您可以指定光度和能源单位，如lumen.cm -2或joule.cm -2。我们将选择默认为这项工作辐射单位。 创建反射 按键盘上的“插入”（insert）插入几行非序列编辑器。 在设计的第一部分，我们将创建一个由抛物面反射镜准直的线光源。然后，我们将在+ Z上放置探测器对象和看光照在探测器上的分布。 建立第一个对象通过抛物面反射镜。在编辑器对象1列“对象类型”（Object type）双击（右击一下）下，打开对象的属性窗口。根据类型选项卡类型设置为标准的表面（Standard Surfauce），然后单击确定。

在编辑器，请在标准表面对象相应的地方列下列参数。对于某些参数，您可能需要滚动到编辑器的右方以看到标题列，显示所需参数的名称。 Material: Mirror Radius: 100 Conic: -1 (parabola抛物线) Max Aper: 150 Min Aper: 20 (center hole in the reflector在反射中心孔) 所有其他参数缺省 您可以通过“分析>布局”>NSC三维布局菜单，或NSC阴影模型（分析“布局”>NSC阴影模型）打开NSC 三维布局，看看反射镜样子。 创建源 更改对象＃2类型（目前是空对象），在编辑器第2行重复前面的步骤并在属性窗口选择线光源（Source Filament）。

含激波流场的光线追迹方法

文章编号：１００１—２４８６（２０１０）０１—０００６—０５ 含激波流场的光线追迹方法。 冯定华，潘沙，田正雨，李桦 （国防科技大学航天与材料工程学院，湖南长沙，４１００７３） 摘要：高速流场中的激波会产生明显的气动光学效应，导致光线发生偏移、聚焦等。从理论上考察了在不同入射角条件下，光线经过激波后发生角偏移量与激波强度的关系；针对通过计算流体力学得到的激波流场，提出了追迹步长根据当地折射率梯度和网格几何尺寸自适应调节的光线追迹的思想和方法，以提高追迹 的精度；对所建立光线追迹方法的精度进行了考察。结果表明，所建立的光线追迹方法适用于激波流场的光线追迹，具有较高的精度。 关键词：激波；光线追迹；步长自适应；折射率梯度 中图分类号：０３５；０４３文献标识码：Ａ ＷａｖｅＦｌｏｗＦｉｅｌｄＭｅｔｈｏｄｏｆ ＲａｙＴｒａｃｉｎｇｔｈｒｏｕｇｈＳｈｏｃｋ ＦＥＮＧＤｉ略ｌｍ，ＰＡＮＳｈａ，ＴＩＡＮ２￥ｅｎｇ－ｙｕ，ＬＩＨｕａ （ｃｏｕ咿ｏＡ即珥峨ａｎｄＭａｔｅｒｉａｌ＆晒ｍ嘲，ＮａｔｉｏｎａｌＵｎｉｖ．０ｆＩＭｅｍｅＴｅｄｍｏｌｏｇｙ，ａＩｍＩ鲈Ｉｌａ４１１３０７３，ＱｄＩ值）Ａ瞻嘲：Ｉｎｔｈｅｌｌｉｇｈｓｐｅｅｄｆｌｏｗｆｄｄ，ｓｈｏｃｋｗａｖｅｗｉｌｌｃａｕ∞ｏｂｖｉｏｕｓａｅｒｏ－ｏｐｔｉｃｓｅｆｆｅｃｔ，ｗｈｉｃｈ啪ｉｌｕ＇ｈＪ∞ｔｈｅｅｘｃｕｒｓｉ帆ａｎｄ 眦璐ｉ１１９ｏｆｔｈｅｒａｙａｎｄ∞Ｏｎ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｏｆａｎｇｌｅ∞积ｌｒｓｉｏｎａｎｄｓｈｏｃｋｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙｉｎｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｘａ吐ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ出婷伪．Ｉｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏａｃｔｕａｌｐｒｏｂｌｅｍ，ｔｈｅｓｈｏｃｋｆｉｄｄｉｓｕｓｕａｌｌｙｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙ伽ｍ删伽ｌａｌｆｌｕｉｄ ８ｉｌＩＩｌｌ］１］斌ｓｈｏｃｋｆｉｅｌｄ，强ｉｄｅａａｎｄｔｈｅｍａｔｃｈｅｄｍｅｔｈｏｄ躺ｃａｎ＇ｉｅｄＯＵｔ，ｗｈｉｃｈ锄ｄｙｎａｍｉｃａｌ．Ｉｎｏｉｄｅｒｔｏｔｒａｃｅｔｈｅｒａｙｔｈｉｇｈｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅ乜咖ｐｍｚｉｓｉｏｎ．Ｉｎｔｈｉｓｗａｙ，ｔｈｅｔｒａｃｉｎｇｓｔｅｐｄｉｓｔａｎｃｅ／ｓａｉｍｅｄｔｏｂｅｓｔｉｒ－ａｄａｐｔｉｖｅｔｏｌｏｃａｌｒｅ白把ｄｏｎｉｎｄｅｘｇ瓢ｌｉｅｎｔａｎｄ鲥ｄｇｅｏｍｅｔｒｙｓｃａｌｅ．Ａｔｌａｓｔ，ｔｈｅｒａｙ缸ａｃｉＩ唱ｍ洲ｉｓｖａｌｉｄａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔ８ｈｏｗ８ｔｈ日ｉｔｈｅｍｅｔｈｏｄｈａｓｈｉｇｈｐ咀耽ｉ８ｉ加ｆｏｒｒａｙ廿ａｃｉＩｌｇｉｎｔｈｅｓｈｏｃｋｆｉｅｌｄ． Ｋｅｙ啊∞ｒｄｓ：ｓｈｏｃｋｗａｖｅ；ｒａｙｔｒａｃｉｎｇ；ｓｔｅｐｓｅｌｆ－ａｄ董ｔｐｔｉｖｅ；髓矗剃ｏｎｉｎｄｅｘｇｒａｃＵｅｎｔ 在高速流场中存在的激波，由于存在较大的密度梯度，使其成为一个光线折射面，对光线传输会产生较大的影响，引起气动光学效应【１】。当激波从物体的前缘脱体时，产生的弯曲激波，将导致透镜一样的聚焦效应，将平行入射光线折射聚焦，甚至会出现像散。即使是简单的平面激波，其表面不一定垂直于光轴或平行于探测窗表面，光线折射影响也必须计算。要实现光线穿越激波这种间断面的光线追迹。需要对传统的等步长追迹方法【２。ｏ进行改进，需要采用变步长的追迹方法。在追迹过程中，每一步追迹的起点和终点不一定在网格点或者网格单元分界面上，并且追迹步长需要根据当地折射率梯度和网格尺寸自适应调节，以提高追迹的精度和效率。 １光学折射率与介质密度之间的关系 Ｌｏｒｅｎｚ．Ｌｏｒｅｎｔｚ公式给出了流场介质密度与光学参数——折射率之间的关系…引： ＼ｎｎ：２＋－２１／、万Ｉ＝号％（１）其中，％为Ｇｌａｄｓｔｏｎｅ－Ｄａｌｅ常数，ＪＤ为气体介质密度，ｎ为折射率。在温度不高的情况下，折射率取决于气体的密度变化。气体中，ｎａ１，则矿＋２—３，ｎ２—１＝（ｒｔ＋１）?（ｎ—１）。２（ｎ—１），式（１）可变换为： ?收稿Ｅｌ期－＇２００９—０９—２３ 基金项目：国防科技大学优秀研究生刨新资助项目（ｍｓｍｃＢ） 作者简介：冯定华（１兜１一）。男。博士生。 万方数据

ZEMAX中如何能优化非序列光学系统(翻译)

ZEMAX中如何优化非序列光学系统（翻译） 优化就是通过改变一系列参数值（称做变量）来减小merit function的值，进而改进设计的过程，这个过程需要通过merit function定义性能评价标准，以及有效变量来达到这一目标。本文为特别的为non-sequential 光学系统优化提供了一个推荐的方法。推荐的方法如下： The recommended approach is: ?在所有merit function中使用的探测器上使用像素插值，来避免像素化探测器上的量化影响。 ?使用这些探测器上的合计值，例如RMS spot size, RMS angular width,angular centroid, centroid location 等，而不是某个特定像素上的数据。这些'Moment of Illumination' 数据优化起来比任何特定的 像素点的值平缓的多。 ?在优化开始之初使用正交下降优化法（Orthogonal Descent optimizer），然后用阻尼最小二乘法（damped least squares）和锤优化器（Hammer optimizers）提炼结果。正交下降法通常比阻尼最小二乘法快，但得到的优化解稍差。首先使用正交下降优化法。 作为例子，我们用几分钟的时间优化一个自由形式的反射镜，最大化LED的亮度，使之从23Cd增加到>250 Cd。 Damped Least Squares vs Orthogonal Descent ZEMAX 中有2中局部优化算法：阻尼最小二乘法(DLS)和正交下降法(OD)。DLS 利用数值计算的结果来确定解空间的方向，即merit function更低的方向。这种梯度法是专门为光学系统设计的，建议所有的成像和经典光学优化问题使用。然而，在纯非序列系统优化中，DLS 不太成功，因为探测是在像素化的探测器上，merit function是本质上不连续的，这会使梯度法失效。 如下是一个NS系统的the merit function的一条扫描线，该function 仅有一个变量。

蒙特卡洛光线追踪

光线追踪原理 光的基本传递模型 1 在一个要渲染的场景中，我们认为光能由预先指定的光源发出，然后我们以光线来描述光能的传递过程，当整个场景中的光能信息被我们计算出来后，我们收集这些信息转化为顶点的亮度。 2 光线经过物体表面可以产生反射和漫反射，光线透过物体可以产生折射和散射。具体产生哪种出射效果，依据物体的表面属性而定。物体的表面一般不会是理想的某种单一属性的表面，表面可以同时存在反射，折射，漫反射等多种属性，各种属性按一定比例混合之后才是其表面反射模型。 3 一点的在某一个视线方向上的光亮度＝该点在该方向的自身发光亮度＋半球入射光能在该方向所产生的反射光亮度. 4 关于散射，高度真实的散射是一个很难模拟的物理过程，一般在渲染中都不会采用过于复杂的物理模型来表示散射，而是采用一些取巧的办法来计算散射。 5 在常见的渲染中，有两种效果很难模拟，但是它们会使人眼觉得场景更真实。 [1]color bleeding :入射光为漫反射，受光表面属性为漫反射，出射光是漫反射。比如把一本蓝色的纸制的书靠近白色的墙，墙上会有浅浅的蓝晕。 [2]caustics:入射光为镜面反射或折射，受光表面属性为漫反射，出射光是漫反射。比如把一个装了红色葡萄酒的酒杯放在木桌上面，会有光透过杯中的酒在桌上形成一块很亮的红色区域。 传统的阴影算法： 游戏中传统的光照算法，是利用公式法来计算特定类型光源的直接光照在物体表面所产生的反射和漫反射颜色，然后再使用阴影算法做阴影补偿。标准的阴影算法不能计算面光源，改进以后的阴影算法通过对面光源采样，可以模拟出软阴影的效果。但是这些方法计算的光照都是来自直接光源的，忽略了光的传播过程，也就无法计算出由光的传播所产生的效果。通过特定的修正，我们也可以计算特定的反射折射或漫反射过程，但是无法给出一种通用并且物理正确的方法。目前游戏中大多是采用改进的阴影算法来进行渲染，它的优点是效率比较高，结合预计算的话，还是可以产生比较生动可信的效果。 传统的逆向光线追踪: 正如前面描述的那样，要想计算光能在场景中产生的颜色，最自然的考虑就是，从光源出发，正向跟踪每一根光线在场景中的传递过程，然后收集信息。然而这个想法在被提出的来的那个时代的计算机硬件上是不可能实现的，当时人们认为，正向光线追踪计算了大量对当前屏幕颜色不产生贡献的信息，而且它把看不见的物体也计算在内，极大的浪费了效率。 于是人们想出的另一个方法是：只计算有用的，从人眼出发，逆向跟踪光线。 逆向光线追踪从视点出发，向投影屏幕发出光线，然后追踪这个光线的传递过程。如果这个光线经过若干次反射折射后打到了光源上，则认为该光线是有用的，递归的计算颜色，否则就抛弃它。很显然，这个过程是真实光线投射的逆过程，它同样会产生浪费（那些被抛弃的逆向光线），而且只适用于静态渲染。

几何光学101：近轴光线追迹计算

Geometrical Optics 101: Paraxial Ray Tracing Calculations Ray tracing is the primary method used by optical engineers to determine optical system performance. Ray tracing is the act of manually tracing a ray of light through a system by calculating the angle of refraction/reflection at each surface. This method is extremely useful in systems with many surfaces, where Gaussian and Newtonian imaging equations are unsuitable given the degree of complexity. Today, ray tracing software such as ZEMAX? or CODE V?enable optical engineers to quickly simulate the performance of very complicated systems. Paraxial ray tracing involves small ray angles and heights. To understand the basic principles of paraxial ray tracing, consider the necessary calculations and ray tracing tables employed in manually tracing rays of light through a system. This will in turn highlight the usefulness of modern computing software. PARAXIAL RAY TRACING STEPS: CALCULATING BFL OF A PCX LENS Paraxial ray tracing by hand is typically done with the aid of a ray tracing sheet (Figure 1). The number of optical lens surfaces is indicated horizontally and the key lens parameters vertically. There are also sections to differentiate the marginal and chief ray. Table 1 explains the key optical lens parameters. To illustrate the steps in paraxial ray tracing by hand, consider a plano-convex (PCX) lens. For this example, #49-849 25.4mm Diameter x 50.8mm FL lens is used for simplicity. This particular calculation is used to calculate the back focal length (BFL) of the PCX lens, but it should be noted that ray tracing can be used to calculate a wide variety of system parameters ranging from cardinal points to pupil size and location.

实验九 创建一个简单的非序列系统

实验十创建一个简单的非序列系统 一、实验目的： （1）学习如何在非序列编辑器中输入和编辑非序列对象； （2）学习如何在布置图上绘制光线； （3）学习如何跟踪大量射线以获得系统性能的定量数据。 二、实验环境： （1）硬件环境：普通PC机 （2）软件环境：ZEMAX软件平台 三、实验内容： 创建一个不连续的系统，一个灯丝源，一个抛物线反射器和一个普莱诺凸透镜，把光耦合到一个长方形的光管中。 要求按组撰写实验报告，实验报告命名应规范：Optical System CAD-2015110101-Biyang-Lab2。 四、实验步骤： （1）启动ZEMAX，打开Non-Sequential模式 点击File>Non-Sequential,打开非序列模式。 （2）设置波长 设置波长为0.587μm。点击system>wavelength>d(0.587)(select->中)>select->

（3）设置单位 点击system>general>units设置如图所示参数。 （4）在非序列组件编辑器中插入几行镜面 点击insert插入三个镜面。 （5）编辑器打开对象1属性窗口将类型设置为“标准曲面”，并键入下列参数。在对象1的Object Type下双击鼠标左键，选择standard surface。

输入下列参数：Material: Mirror Radius: 100 Conic: -1(parabola) Max Aper: 150 Min Aper: 20 （6）查看NSC三维布局 点击analysis>layout>NSC 3D layout。 （7）编辑器打开对象2属性窗口将类型设置为“Source Filament”，键入下列参数，并查看三维布局。 Z position: 50 # Layout Rays: 20 # Analysis Rays: 5000000

光线追踪原理

什么是光线追踪及其优缺点 光线追踪是一种真实地显示物体的方法，该方法由Appel在1968年提出。光线追踪方法沿着到达视点的光线的反方向跟踪，经过屏幕上每一个象素，找出与视线相交的物体表面点P0，并继续跟踪，找出影响P0点光强的所有光源，从而算出P0点上精确的光线强度，在材质编辑中经常用来表现镜面效果。 光线追踪或称光迹追踪是计算机图形学的核心算法之一。在算法中，光线从光源被抛射出来，当他们经过物体表面的时候，对他们应用种种符合物理光学定律的变换。最终，光线进入虚拟的摄像机底片中，图片被生成出来。由于该算法是成像系统的完全模拟，所以可以模拟生成十分复杂的图片。 几大图形巨头很早就提出了光线追踪的具体执行方案，但是一直由于硬件资源的不成熟，导致很多功能还无法实现，最大的一点就是不能支持实时渲染。但Larrabee可能会是第一款支持实时光线追踪的GPU产品，光线追踪也一定是NVIDIA和Intel等在最新一代3D显示技术中的必争之地。 【光线追踪的优点】 光线追踪的流行来源于它比其它渲染方法如扫描线渲染或者光线投射更加能够现实地模拟光线，象反射和阴影这样一些对于其它的算法来说都很难实现的效果，却是光线追踪算法的一种自然结果。光线追踪易于实现并且视觉效果很好，所以它通常是图形编程中首次尝试的领域。

【光线追踪的缺点】 光线追踪的一个最大的缺点就是性能，扫描线算法以及其它算法利用了数据的一致性从而在像素之间共享计算，但是光线追踪通常是将每条光线当作独立的光线，每次都要重新计算。但是，这种独立的做法也有一些其它的优点，例如可以使用更多的光线以抗混叠现象，并且在需要的时候可以提高图像质量。尽管它正确地处理了相互反射的现象以及折射等光学效果，但是传统的光线追踪并不一定是真实效果图像，只有在非常紧似或者完全实现渲染方程的时候才能实现真正的真实效果图像。由于渲染方程描述了每个光束的物理效果，所以实现渲染方程可以得到真正的真实效果，但是，考虑到所需要的计算资源，这通常是无法实现的。于是，所有可以实现的渲染模型都必须是渲染方程的近似，而光线追踪就不一定是最为可行的方法。包括光子映射在内的一些方法，都是依据光线追踪实现一部分算法，但是可以得到更好的效果。

怎样在ZEMAX非序列模式里进行公差分析

怎样在ZEMAX非序列模式里进行公差分析 摘要这篇文章以自由形(freeform)通光管为例，详述了在ZEMAX非序列模式里进行公差分析的方法。 作者Akash Arora 发布时间2010年9月14日 译者YOng 导语 公差分析是系统地将制造、装配、材料等误差引入到光学系统，并判断它们对系统性能的影响的过程。如果你是第一次接触“公差分析”，或者你想知道更多公差分析过程背后的理论，请先阅读”How to Perform a Sequential Tolerance Analysis”。ZEMAX手册第16章也包含“公差分析”的详细内容。这篇文章的目的是介绍非序列系统里的公差分析的方法。 公差操作数及设置 在非序列系统里，三个公差操作数(TNPS，TNPA和TNMA)可以得到任意感兴趣的微扰值。它们分别被用来设置非序列物体的位置/倾斜，参数及材料特性的公差。两个补偿器操作数(CNPS和CNPA)提供了指定调节方式(allocate adjustment)的全面方法。这两个操作数允许分别指定非序列物体的位置/倾斜及参数为补偿器。另外，操作数TMCO及CMCO允许设置多重结构数据作为公差项和补偿器。你可以从ZEMAX手册第16章得到全面而详细的公差操作数介绍。 非序列公差分析使用用户自定义的绩效函数作为公差准据(toleranc

-ing criterion)，包括绩效函数和使用一系列已保存绩效函数的用户脚本。这种做法的优势是绩效函数极有可能被用于优化过程，对于评估系统系能而言，这些已经足够。关于非序列优化及绩效函数的构建，请阅读文章“How to Optimize Non-sequential Optical Systems”。 下面是非序列公差分析需要注意的事项： ?忽略补偿器的最小/最大边界限制，因为绩效函数和用户脚本是唯一的准据。 作为替代，使用绩效函数边界操作数(NPGT，NPLT等)限制补偿器的边界值； ?操作数TOLR可以用于非序列模式里的优化，但是用户脚本始终是唯一的合 法准据。选择绩效函数作为准据将会导致无限循环。因此，需要确保由用户脚本加载的绩效函数不包含操作数TOLR； ?在非序列系统里没有意义的公差设置(光线瞄准，不同视场/结构等)不适用； ?当对多重结构系统的进行公差分析时，为了考虑每一重结构，绩效函数一定 要包含CONF操作数； ?加速公差分析的小提示： a.NSDD对计算RMS宽度、质心等总体数据(aggregate data)的采样噪声相 对不敏感，因此分析光线不要超过必须数量； b.如果可以，对光源使用Sobol采样； c.简化系统：如果可以，不要使用散射或者CAD/布尔物体； 对自由形物体进行公差分析 作为样例，我们将使用文章“How to Perform Freeform Optical Design”里创建并完成优化的freeform-z通光管。这个完成优化的系统包含一个OSRAM LED 及自由形通光管，并且在探测器上得到了最大的准直功率。这个系统包含在文章

【CN110134987A】基于光线追迹的光学球面缺陷检测照明设计方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910249009.9 (22)申请日 2019.03.29 (71)申请人 浙江大学 地址 310027 浙江省杭州市西湖区浙大路 38号 (72)发明人 杨甬英　张鹏飞　都宇滨　肖翔　 冯国华　 (74)专利代理机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人 忻明年 (51)Int.Cl. G06F 17/50(2006.01) G06T 17/00(2006.01) G01N 21/95(2006.01) G01N 21/958(2006.01) (54)发明名称 基于光线追迹的光学球面缺陷检测照明设 计方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于光线追迹的光学球 面元件缺陷检测照明设计方法。本发明解决了光 学球面缺陷检测中，照明光源对最终成像难以预 计的难题。本方法包括：照明光源光线建模、光学 球面特性建模、光学相机模型建模以及将三者串 联的蒙特卡洛光线追迹方法。通过从相机朝向光 源的路径追迹，计算光学球面最终在相机上的成 像灰度图。本发明综合考虑了光学球面缺陷检测 中相机、光源以及被测物三者构成的照明场景， 适用于各种实际光学元件的建模和组合，能广泛 针对各种面型的被测光学球面，预测其像面灰度 图像，从而指导光学检测系统的照明设计和器材 选型。权利要求书2页 说明书8页 附图5页CN 110134987 A 2019.08.16 C N 110134987 A

1.基于光线追迹的光学球面缺陷检测照明设计方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、场景建设； 针对不同光学球面，使用三角网格对被测球面进行三维建模，使用直角坐标系对光源和相机建模； 步骤2、建设的场景中随机采样生成从成像面出发的追迹光线； 步骤3、建设的场景中光线传播到被测球面以后，在被测球面表面分裂，计算分裂光线的传播方向和能量系数； 步骤4、建立光源面发光强度的表达式； 步骤5、求解按照光线传播路径积分能量作为图像函数的仿真结果；获得仿真图像后，根据被测球面成像的特征，通过调整光源的分布，约束相机相对口径达到理想的光学照明检测效果； 步骤1所述的场景建设具体实现如下：光线从成像面(S1)出发，根据相机的光学特性，经过透镜面(S2)以后落到空间物面(S3)上，光线在被测球面上表面(S4)发生分裂，一支光线发生反射后直接进入两侧光源(S6)或(S7)，另一支在被测球面上表面(S4)和下表面(S5)之间发生多次反射，最终从上表面(S4)折射出射并进入两侧光源(S6)或(S7)。 2.根据权利要求1所述的基于光线追迹的光学球面缺陷检测照明设计方法，其特征在于步骤2中对从成像面出发的光线进行随机采样生成，具体采用方法如下： 将成像面划分成一系列面积相近的离散网格，并在网格内随机采样；成像面输出一系列离散的图像数据，建模过程中在成像面表面划分一系列面积相同的网格代表像元，从每个像元中随机选取一点作为光线起点；第u行v列的传感器像元在xy平面采样点的笛卡尔坐标表示为: x(u ,v)＝(2*(u+rand())/U -1)*width/2 (1) y(u ,v)＝(2*(v+rand())/V -1)*height/2 (2) 其中，u ,v是第u行v列的像元索引，U和V分别是u方向和v方向像元总数；rand()生成一个[0,1]范围内的随机数；width和height是成像面的宽度和高度； 对透镜面(S2)采样，分别沿半径和角度方向划分网格，然后在网格内随机取点，第u ’行v ’ 列采样点在xy平面的笛卡尔坐标表示为: 此时，u ′,v ′分别是沿半径和角度方向的采样点索引,U ’和V ’是沿半径和角度方向的采样总数；radius是透镜面(S2)半径；沿经线和纬线方向的网格线代表对透镜面(S2)表面的划分；成像面采样点和透镜面采样点之间连线就构成了相机发出的光线。 3.根据权利要求2所述的基于光线追迹的光学球面缺陷检测照明设计方法，其特征在于步骤3中使传播光线在被测球面上表面(S4)发生分裂，计算分裂光线的传播方向和能量分配的比例系数ρ，具体计算方法如下： 光线模型在光学表面可能发生三种行为，吸收、折射或者反射，按照能量守恒定律，三者的比例系数ρ之和应为1； ρ吸收+ρ反射+ρ折射＝1 (5)权　利　要　求　书1/2页2CN 110134987 A

使用ZEMAX设计的典型实例分析

使用ZEMAX于设计、优化、公差和分析 摘要 光学设计软件ZEMAX的功能讨论可藉由使用ZEMAX去设计和分析一个投影系统来讨论，包括使用透镜数组(lenslet arrays) 来建构聚光镜(condenser)。 简介 ZEMAX以非序列性(non-sequential) 分析工具来结合序列性(sequential) 描光程序的传统功能，且为一套能够研究所有表面的光学设计和分析的整合性软件包，并具有研究成像和非成像系统中的杂散光(stray light) 和鬼影(ghosting) 的能力，从简单的绘图(Layout) 一直到优化（optimization）和公差分析（tolerance analysis）皆可达成。 根据过去的经验，对于光学系统的端对端（end to end）分析往往是需要两种不同的设计和分析工具。一套序列性描光软件，可用于设计、优化和公差分析，而一套非序列性或未受限制的(unconstrained) 描光软件，可用来分析杂散光、鬼影和一般的非成像系统，包括照明系统。 “序列性描光程序”这个名词是与定义一个光学系统为一连串表面的工具有关。所有的光线打到光学系统之后，会依序的从一个表面到另一个表面穿过这个系统。在定义的顺序上，所有的光线一定会相交到所有的表面，否则光路将终止。光线不会跳过任何中间的表面，且光线只能打在每一个已定义的表面一次。若实际光线路径交到一个表面上超过一次，如使用在二次描光(double pass) 中的组件，必须在序列性列表中，再定义超过一次的表面参数。

大部份成像光学系统，如照相机镜头、望远镜和显微镜，可在序列性模式中完整定义。对于这些系统，序列性描光具有许多优点：非常快、非常弹性和非常普遍。几乎任何形状的光学表面和材质特性皆可建构。在成像系统中，序列性描光最重要的优点为使用简单且高精确的方法来做优化和分析。序列性描光的缺点，包括无法追迹所有可能的光路径(即鬼影反射) 和许多无法以序列性方式来描述的光学系统或组件。 非序列性描光最常用来分析成像系统中的杂散光和鬼影，甚致分析照明和其它非成像系统。在非序列性描光中，光线入射到光学系统后，是自由的沿着实际光学路径追迹；一条光线可能打到一个对象(object) 许多次，而且可能完全未打到其它对象。此外，非序列性方法可用来分析从光学或机构组件产生的表面散射(scatter)，以及从场内(in-field) 和场外(out-of-field) 的光源所产生的表面反射而形成的鬼影成像。 ZEMAX的功能 ZEMAX可以用于一个完全序列性模式中、一个完全非序性模式中和一个混合模式中，混合模式对分析具有大部分序列性而却有一些组件是作用在非序列性方式的系统，是相当有用的，如导光管(light pipes) 和屋顶棱镜(roof prisms)等。 序列性系统需定义视场角(field of view)、波长范围（wavelength range）和表面数据（surface date）。序列性设计的最重要参数之一，为系统孔径(system aperture)。系统孔径，常指入瞳(entrance pupil) 或孔径光栏（STO），它限制可从已定义视场入射光学系统的光线。光学表面可以是折射、反射或绕射。透镜可以是由均匀或渐变折射率材质所制成。表面的下弯(sag) 可以是球面、圆锥面(conic)、非球面(aspheric)或藉由多项式或其它参数函数