概述

這篇文章旨在向新用戶介紹OpticStudio非序列模式下的分析功能。其中包括混合模式的使用、光源的設(shè)置、復(fù)雜幾何體的創(chuàng)建、探測(cè)器的設(shè)置及分析功能。本文還會(huì)討論光線追跡過程中的分裂、散射以及相應(yīng)的非序列分析。

介紹

非序列模式突破了序列模式的限制，提供了更加靈活的光線追跡功能。

非序列光線追跡意味著在光線追跡過程中，不存在預(yù)先定義好的一系列表面。光線與物體表面的接觸點(diǎn)僅由它的物理位置、物體的屬性和光線的方向來決定。光線可以入射到非序列物體的任意部位，也可以多次入射到相同的物體或一次也不接觸。而在序列光線追跡中所有的光線都必須以相同的次序通過相同的一系列表面，兩種模式有著顯著的區(qū)別。

在OpticStudio的序列模式下，光線的傳播過程中通過的表面都是在局部坐標(biāo)系下進(jìn)行定義的。而在非序列模式中，光學(xué)元件以真正的三維物體創(chuàng)建，它可以以表面或?qū)嶓w的形式存在。每個(gè)物體都是以全局坐標(biāo)系中的x、y、z坐標(biāo)進(jìn)行定義，并且每個(gè)物體坐標(biāo)和方向的定義相互獨(dú)立。

OpticStudio中的非序列光線追跡功能不受序列模式光線追跡中的限制。由于光線能以任意的次序通過光學(xué)元件，因此您可以模擬包含全內(nèi)反射的光路。序列模式只能對(duì)成像系統(tǒng)和無焦系統(tǒng)進(jìn)行分析，而非序列模式能夠分析成像和非成像系統(tǒng)中的雜散光、散射和照明問題等。簡(jiǎn)而言之，只要一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)能夠用使用光線追跡來描述，我們就能夠在OpticStudio的非序列模式中進(jìn)行建模。

非序列光線追跡

在很多光學(xué)應(yīng)用中，簡(jiǎn)單的序列表面模型不能很好的描述一些光學(xué)元件，我們需要使用實(shí)際的三維模型來更好地描述它們的光學(xué)性質(zhì)。其中，需要使用非序列光線追跡才能進(jìn)行建模的光學(xué)元件包括：復(fù)雜棱鏡、角立方棱鏡、導(dǎo)光管、多面體元件、在CAD中創(chuàng)建的元件以及相互重疊的元件（例如一些位于其他元件內(nèi)部的元件）等。

在OpticStudio中，您可以用以下兩種模式來進(jìn)行非序列光線追跡模擬：

1.純非序列模式

2.序列/非序列混合模式

當(dāng)您使用純非序列模式時(shí)，所有光學(xué)元件都處在同一個(gè)非序列元件組中。其中，光源和探測(cè)器均在元件組中進(jìn)行設(shè)置，用來發(fā)射和記錄光線。在OpticStudio的非序列模式中，光源的設(shè)置比在序列模式中更加的多樣。在序列模式中只能在物面上設(shè)置點(diǎn)光源，或利用序列模式中的圖像分析功能，在物面上設(shè)置平面擴(kuò)展光源。而在非序列光線追跡中，光源可以設(shè)置在非序列組中的任意位置和方向處，甚至可以被放置在其他物體的內(nèi)部。光源的類型可以為簡(jiǎn)單的點(diǎn)光源（和序列模式中的類似）或者為具有復(fù)雜三維分布的光源。在OpticStudio旗艦版中，我們提供了一個(gè)包含上百種光源的實(shí)測(cè)分布數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)供您使用。您也可以將從供應(yīng)商或者其他文件中獲取真實(shí)的光源數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入到OpticStudio中。

從非序列光源發(fā)射出來的光線，被稱之為NSC (Non-Sequential Component) 光線，光線入射到光學(xué)元件時(shí)可以發(fā)生分裂或散射，也可以在使用相位描述的元件或表面上發(fā)生衍射。在NSC光線追跡時(shí)，您可以評(píng)估探測(cè)器上的輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，或者查看儲(chǔ)存在光線數(shù)據(jù)庫(kù)文件中的光線數(shù)據(jù)。探測(cè)器可以是平面、曲面或者是一個(gè)三維物體。非序列模式中探測(cè)器的數(shù)據(jù)支持多種顯示類型，其中包括：非相干照度 (Incoherent Irradiance)、相干照度 (Coherent Irradiance)、相干相位 (Coherent Phase)、輻射強(qiáng)度 (Radiant Intensity)、輻亮度 (Radiance) 以及真彩色 (True Color) 結(jié)果。光線數(shù)據(jù)庫(kù)中儲(chǔ)存著每條光線的歷史追跡數(shù)據(jù)，您可以通過字符串過濾的方式，在布局圖窗口中只展示入射到特定探測(cè)器的部分光線。高級(jí)路徑分析還提供了按特定標(biāo)準(zhǔn)（例如總的光通量）保存光線路徑的功能。上述功能極大的擴(kuò)展了非序列光線追跡在鬼像分析、雜散光分析和許多照明等需求中的應(yīng)用。

當(dāng)您使用序列/非序列混合模式進(jìn)行光線追跡（也稱為混合模式光線追跡）時(shí)，非序列元件將在非序列組中進(jìn)行設(shè)置。該非序列組是上一級(jí)序列系統(tǒng)的組成部分。序列模式追跡的光線通過一個(gè)入射端口進(jìn)入非序列組，最后再通過一個(gè)出射端口從非序列組中出射，繼續(xù)在序列系統(tǒng)中傳播。您可以在同一個(gè)序列系統(tǒng)中定義多個(gè)不同的非序列組，每組中可以設(shè)置任意數(shù)量的元件?；谠摴δ?，您可以將多面鏡、屋脊棱鏡或者CAD元件等非序列元件整合到一個(gè)序列模式設(shè)計(jì)中。該模式適用于模擬那些本身結(jié)構(gòu)就是序列設(shè)置的系統(tǒng)，但在系統(tǒng)中包含了一個(gè)或多個(gè)使用三維模型進(jìn)行建模更方便的元件。

混合模式

在這個(gè)示例中，我們將通過示例文件展示在混合模式下進(jìn)行光線追跡。點(diǎn)擊文件 (File) 選項(xiàng)卡中的打開 (Open) 按鈕，打開文件
Zemax\Samples\Non-sequential\Reflectors\Toroidal faceted reflector.zmx

如果在配置選項(xiàng)中勾選了使用Session文件 (Use Session Files)，則在打開文件時(shí)透鏡數(shù)據(jù)編輯器和非序列元件編輯器會(huì)和一些分析窗口一起出現(xiàn)在屏幕上。其中靠右邊的3D視圖顯示了從物面上的點(diǎn)光源發(fā)射出來的光線的追跡結(jié)果。

使用技巧：您可以雙擊浮動(dòng)窗口的標(biāo)題欄來放大窗口，也可以拖動(dòng)邊緣來放大鎖定狀態(tài)的窗口。

點(diǎn)擊3D視圖窗口菜單欄中的設(shè)置 (Settings) 按鈕，勾選光線箭頭 (Fletch Rays) 選項(xiàng)并點(diǎn)擊確認(rèn)。OpticStudio將使用箭頭來標(biāo)明光線的傳播方向。這個(gè)設(shè)置在很多非序列系統(tǒng)中非常有用，因?yàn)橐恍┫到y(tǒng)中的光線路徑非常復(fù)雜。

光線首先從左至右傳播，并進(jìn)入到非序列組中，入射到一個(gè)多面鏡上（非序列元件編輯器中的物體1），經(jīng)過反射后向左傳播，從非序列組中出射后入射到一個(gè)在序列模式下設(shè)計(jì)的透鏡上（透鏡數(shù)據(jù)編輯器中的表面3和表面4）。您可以用Page-Up、Page-Down和鍵盤方向鍵旋轉(zhuǎn)3D視圖，從不同的角度觀察模型的結(jié)構(gòu)。

使用技巧：您可以使用鼠標(biāo)滾輪縮放分析窗口的大小，或者在窗口內(nèi)拖動(dòng)鼠標(biāo)劃出方框來放大您感興趣的區(qū)域。您可以嘗試在3D視圖中，劃出一個(gè)包含反射鏡的方框來進(jìn)行放大。您可以點(diǎn)擊菜單欄中的整屏顯示 (Reset Zoom)按鈕，或者點(diǎn)擊右鍵，在下拉菜單中選擇整屏顯示來恢復(fù)原來的視圖比例。

現(xiàn)在您可以更清晰的觀察反射鏡中每個(gè)獨(dú)立的鏡面。在OpticStudio的非序列模式中，您還可以構(gòu)建很多其他類型的多面物體，包括超環(huán)形表面 (toroidal surfaces)、徑向和多項(xiàng)式非球面鏡以及菲涅爾透鏡等。

幾何圖像分析窗口顯示了這個(gè)系統(tǒng)在透鏡左側(cè)的像面上所形成的獨(dú)特而復(fù)雜的光線分布情況。

這也是一個(gè)展示序列/非序列混合模式的示例文件。光線從一個(gè)無限遠(yuǎn)的序列元件開始進(jìn)行追跡，通過表面1的光闌，經(jīng)過一個(gè)非序列的棱鏡系統(tǒng)，最終到達(dá)序列模式下的像面上。

實(shí)體模型圖中顯示了中間棱鏡的屋脊面，旋轉(zhuǎn)模型使屋脊面正對(duì)著屏幕。可以看到，屋脊面由兩個(gè)互相垂直并像屋脊一樣傾斜的表面構(gòu)成。它的作用類似一個(gè)平面鏡，但是反射光線從屋脊軸線的一側(cè)反射到另一側(cè)，增加了光程并使所成的像沿著屋脊面的軸線發(fā)生了翻轉(zhuǎn)。您可以在實(shí)體模型視圖中放大以及旋轉(zhuǎn)圖像來更詳細(xì)地查看這三個(gè)棱鏡。

使用技巧：上圖中棱鏡的半透明效果是在實(shí)體模型圖的設(shè)置參數(shù)中的透明度 (Opacity) 中進(jìn)行設(shè)置的。

在分析菜單中偏振 (Polarization) 的下拉菜單中選擇偏振光瞳圖 (Polarization Pupil Map) 工具，查看所生成偏振光瞳圖結(jié)果，它展示了屋脊棱鏡對(duì)序列模式追跡光線的偏振狀態(tài)的改變。

在OpticStudio中提供了很多類型的棱鏡模型。棱鏡可以在文本文件中，通過給定每一個(gè)表面的x,y,z坐標(biāo)的形式來進(jìn)行定義。這類棱鏡稱為多邊形物體 (Ploygon Object, POB)。棱鏡和多面物體也可以通過導(dǎo)入STL文件的方式進(jìn)行創(chuàng)建，大多數(shù)CAD軟件都可以生成該格式的文件。需要注意的是，在OpticStudio中通過POB和STL格式生成的物體都是實(shí)際的多面物體。

光源模擬

現(xiàn)在讓我們查看另一個(gè)OpticStudio非序列模式中的示例。示例文件聯(lián)系工作人員獲取。該示例文件展示了從三個(gè)燈絲光源發(fā)出的光線入射到三個(gè)探測(cè)器上的情況。在分析選項(xiàng)卡中打開3D視圖，在窗口中對(duì)其中一個(gè)燈絲進(jìn)行放大，您可以看到燈絲光源的螺線型結(jié)構(gòu)。

選擇分析 (analyze) 選項(xiàng)卡中的光線追跡 (Ray Trace)，打開光線追跡控制 (Ray Trace Control) 對(duì)話框，您可以在這里追跡、篩選或保存非序列分析中使用的光線。點(diǎn)擊清除&追跡 (Clear & Trace)，清空探測(cè)器中已有的結(jié)果并重新追跡新的光線，這會(huì)生成一系列新的隨機(jī)的光線并追跡到探測(cè)器上。在光線追跡完成后，點(diǎn)擊退出 (Exit) 離開控制對(duì)話框。

您可以點(diǎn)擊分析選項(xiàng)卡中的探測(cè)器查看器 (Detector Viewer) 打開一個(gè)探測(cè)器視圖窗口來觀察光線追跡的結(jié)果。探測(cè)器查看器默認(rèn)對(duì)應(yīng)非序列編輯器中的第一個(gè)探測(cè)器物體，在該示例中為物體10。

如果要想改變需要查看的探測(cè)器，點(diǎn)擊窗口工具欄中的設(shè)置按鈕，在設(shè)置里將探測(cè)器從探測(cè)器物體10更改為其他探測(cè)器物體的編號(hào)，點(diǎn)擊確認(rèn) (OK) 按鈕即可。

使用技巧：如果您想查看一個(gè)探測(cè)器的位置和方向，在非序列元件編輯器中，點(diǎn)擊探測(cè)器所對(duì)應(yīng)的行，相應(yīng)的探測(cè)器會(huì)在布局圖中以橙色高亮顯示。下圖中顯示了當(dāng)物體11被選中時(shí)布局圖中的情況。

在這個(gè)示例中，每個(gè)光源都發(fā)出了上萬條光線進(jìn)行追跡。每個(gè)光源追跡的光線數(shù)目可以在非序列元件編輯器中進(jìn)行設(shè)置。在編輯器中選中對(duì)應(yīng)燈絲光源的物體（物體3,6或9），然后按右方向鍵把光標(biāo)移動(dòng)到標(biāo)題欄為#分析光線條數(shù) (#Analysis Rays) 的一列。與鏡頭數(shù)據(jù)編輯器一樣，非序列元件編輯器具有“動(dòng)態(tài)”的標(biāo)題，根據(jù)您選中的物體類型的不同，標(biāo)題也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，顯示出對(duì)于當(dāng)前物體類型有哪些可設(shè)置的參數(shù)。

在本例中，光源物體的#輸出光線條數(shù) (#Layout Rays) 只設(shè)為一個(gè)較小的數(shù)值。布局圖光線條數(shù)和分析光線條數(shù)是分開設(shè)置的，這使得我們不必在布局圖中顯示上萬條分析光線，光線數(shù)目太多導(dǎo)致彼此重疊在一起會(huì)使布局圖無法清晰顯示詳細(xì)信息。每當(dāng)您在布局圖窗口中雙擊鼠標(biāo)，或者點(diǎn)擊菜單欄中的更新 (Update) 按鈕時(shí)，OpticStudio會(huì)重新根據(jù)所設(shè)置的分布，在布局圖中顯示一系列隨機(jī)的光線。

實(shí)體模型圖窗口能夠顯示分析光線追跡后的結(jié)果。您可以在窗口對(duì)應(yīng)的設(shè)置選項(xiàng)中更改探測(cè)器選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)您選擇像素顏色為由上一次分析結(jié)果決定 (Color pixels by lase analysis) 時(shí)，OpticStudio會(huì)根據(jù)上一次光線追跡的分析結(jié)果繪制布局圖中的探測(cè)物體。

OpticStudio的光源類型支持簡(jiǎn)單的幾何體 (點(diǎn)光源、橢圓盤等) ，也支持使用測(cè)量得到的光源數(shù)據(jù)進(jìn)行定義。OpticStudio旗艦版還提供了一個(gè)包含上百個(gè)光源測(cè)試數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)供您使用。您可以在數(shù)據(jù)庫(kù) (Libraries) 選項(xiàng)卡中選擇RSMX光源模型 (Radiant Source Models) 的下拉菜單中選擇下載RSMX光源文件 (Download Radiant Souce Models)，查看所有可用的光源文件。

使用技巧：有關(guān)純非序列模式光線追跡系統(tǒng)和關(guān)于構(gòu)建復(fù)雜光源的詳細(xì)信息，包括如何使用測(cè)量的光源數(shù)據(jù)，請(qǐng)聯(lián)系工作人員獲取。

創(chuàng)建復(fù)雜的幾何體

現(xiàn)在我們來介紹如何在OpticStudio非序列模式中創(chuàng)建復(fù)雜的幾何體。

OpticStudio內(nèi)置了許多種物體類型，您可以根據(jù)這些類型創(chuàng)建各種幾何結(jié)構(gòu)。在前文中我們展示了其中幾類結(jié)構(gòu)。當(dāng)然您想要的結(jié)構(gòu)可能無法使用OpticStudio內(nèi)置的物體類型創(chuàng)建。

其中一個(gè)解決方案是在CAD軟件中繪制您所需的幾何結(jié)構(gòu)，再導(dǎo)入到OpticStudio中。有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)這一操作：靜態(tài)導(dǎo)入和動(dòng)態(tài)導(dǎo)入。靜態(tài)導(dǎo)入是指以常用的CAD文件格式，如STP, SAT, IGS, STL等進(jìn)行導(dǎo)入。您可以在OpticStudio中導(dǎo)入這些格式的文件，并設(shè)置相應(yīng)的光學(xué)性質(zhì)然后進(jìn)行模擬。通過這種方法導(dǎo)入的物體只能做等比例縮放，不能對(duì)其形狀進(jìn)行修改，因此稱為靜態(tài)導(dǎo)入。動(dòng)態(tài)導(dǎo)入是指通過CAD鏈接的形式 (只在旗艦版中可用) 導(dǎo)入用SolidWorks、Autodesk Inventor或者PTC Creo等軟件構(gòu)建的零件或裝配體，導(dǎo)入物體的參數(shù)可以進(jìn)行相應(yīng)的修改。動(dòng)態(tài)導(dǎo)入功能需要您事先安裝相應(yīng)版本的CAD軟件。下圖展示了一個(gè)導(dǎo)入到OpticStudio中的SolidWorks零件。

另一個(gè)方案是利用布爾物體來創(chuàng)建。布爾物體可以使物體進(jìn)行一系列的布爾運(yùn)算，進(jìn)行布爾運(yùn)算的非序列三維物體數(shù)量最多為10個(gè)。最后得到的布爾物體仍然可以通過調(diào)整源物體的參數(shù)來對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改。

打開文件
Zemax\Samples\Non-sequential\Geometry Creation\Boolean example 4- a lens mount.zmx。該示例文件展示了如何使用布爾物體來構(gòu)建復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。

從非序列元件編輯器中可以看到該文件總共定義了4個(gè)物體（一個(gè)立方體和三個(gè)圓柱體）。此外還定義了一個(gè)布爾物體。選中布爾物體，向右移動(dòng)到顯示物體A，物體B等的位置，此處用來定義您將要進(jìn)行布爾運(yùn)算的物體。

如圖所示，其中物體A為立方體（物體1），另外三個(gè)圓柱體（物體2-4）分別為物體B，C和D。

回到非序列元件編輯器的左側(cè)，找到布爾物體對(duì)應(yīng)的標(biāo)注欄。在標(biāo)注欄中顯示了上述物體進(jìn)行布爾操作的類型。

如圖所示，其中物體A為立方體（物體1），另外三個(gè)圓柱體（物體2-4）分別為物體B，C和D。

回到非序列元件編輯器的左側(cè)，找到布爾物體對(duì)應(yīng)的標(biāo)注欄。在標(biāo)注欄中顯示了上述物體進(jìn)行布爾操作的類型。

該示例展示了使用布爾減法運(yùn)算得到的布爾物體，您還可以利用加法、交集以及異或運(yùn)算來創(chuàng)建幾何體。

使用技巧：有關(guān)創(chuàng)建復(fù)雜幾何體的詳細(xì)信息，請(qǐng)聯(lián)系工作人員獲取。

光線的分裂和散射

現(xiàn)在我們來展示非序列模式中的光線分裂功能。打開文件Zemax\Samples\Non-sequential\Ray splitting\Beam splitter.zmx。

該示例文件展示了如何用兩個(gè)斜面重疊的棱鏡（使用多邊形物體類型創(chuàng)建）來模擬一個(gè)立方體分束鏡。在默認(rèn)情況下，光線入射到多邊形物體時(shí)會(huì)直接透射穿過多邊形物體。我們可以通過在物體表面上設(shè)置一個(gè)部分反射/透射的膜層，來同時(shí)得到反射光線和透射光線。膜層的性質(zhì)在物體屬性對(duì)話框的膜層/散射 (Coat/Scatter) 選項(xiàng)卡下進(jìn)行設(shè)置。打開非序列元件編輯器中物體3的物體屬性設(shè)置菜單中的膜層/散射選項(xiàng)卡。所有關(guān)于膜層性質(zhì)的設(shè)置都是在這個(gè)界面下完成。

使用技巧：有關(guān)膜層設(shè)置的詳細(xì)信息，請(qǐng)聯(lián)系工作人員獲取。

在該示例中，分束器的所有表面都設(shè)置了膜層。其中，所有的立方體外側(cè)的表面都設(shè)置了抗反射膜層，而中間的分束面則設(shè)置了50%透射50%反射的膜層。在3D視圖中可以看到入射到立方體的光線分成了兩束。

打開3D視圖的設(shè)置對(duì)話框，確保NSC光線分裂 (Split NSC Rays) 和使用偏振 (Use Polarization) 兩個(gè)選項(xiàng)已經(jīng)勾選。

在OpticStudio中，光線分裂需要進(jìn)行偏振計(jì)算。因此您需要確保勾選了這兩個(gè)選項(xiàng)。取消勾選該選項(xiàng)并點(diǎn)擊確認(rèn)，您將會(huì)看到光線不再分開，只有一束光線從左向右穿過了立方體。

在分析光線追跡過程中同樣也可以考慮光線分裂。在光線追跡控制器中必須同時(shí)勾選光線分裂和偏振計(jì)算兩個(gè)選項(xiàng)。

使用技巧：OpticStudio還支持一種簡(jiǎn)單的光線分裂選項(xiàng)。啟用該選項(xiàng)時(shí)，光線在經(jīng)過一個(gè)分束面時(shí)，透射光線和反射光線中只有一條光線會(huì)被追跡，不會(huì)同時(shí)追跡兩條光線。追跡光線的選擇則是隨機(jī)的，并且選擇概率正比于分束面的反射/透射比。啟用該選項(xiàng)能夠加快很多光學(xué)系統(tǒng)的追跡模擬速度。

接下來我們將介紹光線的散射。打開文件Zemax\Samples\Non-sequential\Scattering\ABg Scattering Surface.zmx。該示例文件同時(shí)展示了光線在非序列模式中的分裂和散射。

當(dāng)布局圖設(shè)置中勾選了NSC散射光線 (NSC Scatter Rays) 選項(xiàng)時(shí)，3D視圖中會(huì)顯示光線在物體2（一個(gè)平整的方形鏡）上發(fā)生的散射。此時(shí)沒有開啟光線分裂功能，因此每條入射光線經(jīng)過物體2后將得到一條散射光線。實(shí)體模型圖中同時(shí)顯示了光線的分裂和散射（同時(shí)勾選NSC光線分裂和NSC光線散射選項(xiàng)）。

當(dāng)在散射系統(tǒng)中開啟光線分裂功能時(shí)，OpticStudio會(huì)生成多條分裂的散射光線，光線的條數(shù)取決于散射表面/物體的物體屬性對(duì)話框中膜層/散射選項(xiàng)卡下中光線數(shù) (Number of Rays) 設(shè)置的數(shù)值。查看物體2中對(duì)應(yīng)的表面，您可以看到此時(shí)光線數(shù)設(shè)置為每一條入射光線將生成5條散射光線。

OpticStudio支持的散射模型包括Lambertian，Gaussian，ABg，BSDF，IS庫(kù)和用戶自定義散射模型。其中IS庫(kù)為常用的商用材料的散射數(shù)據(jù)庫(kù)。在示例文件物體2的膜層/散射選項(xiàng)卡中可以看到，物體2使用了ABg散射模型（在ABg模型中選擇TP_TEST文件）。

在ABg模型中，散射能量的比例是ABg模型中的一個(gè)可選參數(shù)。如果想要查看ABg模型的具體散射性質(zhì)，選擇數(shù)據(jù)庫(kù)菜單中的ABg散射庫(kù) (ABg Scatter Catalogs)，并在文件名處選擇TP_TEST文件。

一個(gè)尺寸較小的探測(cè)器（物體3）放置在尺寸較大的探測(cè)器（物體4）前的中心位置，它用來收集正常反射的光線。只有把布局圖窗口放大到很大的時(shí)候您才能看到這個(gè)小探測(cè)器。尺寸較大的探測(cè)器則用來收集散射光線。打開探測(cè)器查看器，在設(shè)置中選擇探測(cè)器為物體4并點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕，在分析窗口的下方可以看到散射光線的能量大小。

使用技巧：使用OpticStudio的過濾字符串也可實(shí)現(xiàn)在單獨(dú)一個(gè)探測(cè)器上對(duì)散射和未散射光線的能量進(jìn)行區(qū)分。

高級(jí)功能

雖然OpticStudio中的序列模式和非序列模式中都可以模擬衍射光學(xué)元件，但是非序列模式的光線分裂功能更利于模擬光線的衍射。

打開文件
Zemax\Samples\Non-sequential\Diffractives\Diffraction grating multiple orders.zmx

可以看到每一條入射的光線都分裂為5條光線。

在這個(gè)示例中，光線并不是由于膜層或散射的原因發(fā)生分裂，而是因?yàn)槲矬w2的物體類型為衍射光柵，光線的能量分裂到不同衍射級(jí)的衍射光線上。這個(gè)光柵的基本性質(zhì)（光柵周期，單位線數(shù)目/微米）可以在該物體相應(yīng)的參數(shù)欄中進(jìn)行定義。本例中使用的衍射光柵物體實(shí)際上相當(dāng)于在標(biāo)準(zhǔn)透鏡物體的參數(shù)上添加光柵周期（刻線/μm）的數(shù)據(jù)。

在物體屬性中的衍射 (Diffraction) 選項(xiàng)卡中對(duì)光線的分裂進(jìn)行設(shè)置。

在衍射選項(xiàng)卡中，可以定義每個(gè)衍射級(jí)之間的相對(duì)能量關(guān)系。

使用技巧：OpticStudio同樣支持使用自定義的衍射DLL文件來定義能量在各衍射級(jí)之間的能量比。這個(gè)DLL文件還可以用來定義衍射后光線的所有性質(zhì)，包括相對(duì)能量、方向角、電場(chǎng)的方向和幅值等。

OpticStudio中另外一個(gè)高級(jí)功能是模擬光的相干性。打開文件
Zemax\Samples\Non-sequential\Coherence\A Simple Interferometer.zmx。這個(gè)非序列示例文件展示了如何在非序列模式下對(duì)光的相干性進(jìn)行建模。

文件模擬了一個(gè)干涉儀。光線從左上方的矩形光源中出射，并在多邊形物體2上透射和反射，其中物體2的表面設(shè)置了50%透射50%反射膜層層。然后光線分別沿著干涉儀的兩臂到達(dá)布局圖中右下方的探測(cè)器（物體6和7）。其中，在探測(cè)器前的兩條光路，通過第二個(gè)具有50%透射50%反射膜層的多邊形物體（物體5）重新合為一路。干涉儀左下方一路的反射鏡（物體3）沿x軸存在額外的0.005度傾角，這使得兩束光在到達(dá)探測(cè)器表面時(shí)的光程差不再相等。

在探測(cè)器的相干設(shè)置中，OpticStudio根據(jù)每條光線到達(dá)探測(cè)器表面時(shí)的幅值和相位，計(jì)算它們相干疊加的結(jié)果。該功能可以使OpticStudio定性地模擬干涉儀的干涉條紋。如要看到這樣的效應(yīng)，您需要在探測(cè)器查看器設(shè)置的顯示數(shù)據(jù) (Show Data) 選項(xiàng)中，選擇相干照度或者相干相位：

打開探測(cè)器查看器，在設(shè)置中選擇探測(cè)器物體6。設(shè)置顯示數(shù)據(jù)選項(xiàng)為相干照度并點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕。觀察因?yàn)榉瓷溏R（物體3）額外的0.005度傾角所插上的傾斜條紋。

再次打開探測(cè)器查看器的設(shè)置對(duì)話框，設(shè)置顯示數(shù)據(jù)為非相干照度 并點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕?？梢钥吹?，由于探測(cè)器不考慮光線的相干性，分析窗口中不再顯示干涉條紋。

使用技巧：在非序列模式中，您還可以看到由光柵不同衍射級(jí)的衍射光線互相干涉的現(xiàn)象。示例文件
Zemax\Samples\Non-Sequential\Diffractives\Diffracting grating fringes.zmx 對(duì)此進(jìn)行了展示。

最后，我們查看光線在材料中的體吸收現(xiàn)象。打開文件
Zemax\Samples\Non-sequential\Miscellaneous\Voxel detector for flash lamp pumping.zmx。

在前文中，我們使用的探測(cè)器類型為矩形探測(cè)器物體。它們是平面探測(cè)器。而OpticStudio同樣能模擬更復(fù)雜的探測(cè)器，例如曲面探測(cè)器或者三維的體探測(cè)器。

該示例展示了如何在一個(gè)簡(jiǎn)易的激光泵浦系統(tǒng)中使用體探測(cè)器物體。其中，諧振腔由一對(duì)分處兩端的環(huán)面鏡 (toroidal mirror) 構(gòu)成（物體3和4）。在靠近每個(gè)鏡子的位置設(shè)置有一個(gè)線光源（物體1和2）來發(fā)射光線。在諧振腔的中間有一個(gè)體探測(cè)器（物體6）來模擬諧振腔中的增益晶體。

需要注意的是，體探測(cè)器（物體5）覆蓋了圖中的圓柱體。

體探測(cè)器是一個(gè)包含由三維像素點(diǎn)陣組成的立方體，我們把每個(gè)像素點(diǎn)稱為體元 (Voxel)。OpticStudio能夠在每個(gè)體元上記錄入射進(jìn)來的光通量。當(dāng)體探測(cè)器在空間上覆蓋了另外一個(gè)定義了透射數(shù)據(jù)的三維物體時(shí)，OpticStudio就能夠記錄在體探測(cè)器里的每個(gè)體元上，被吸收的光通量。在這個(gè)示例中，被覆蓋的圓柱體的材料為BK7玻璃，該玻璃型號(hào)的透射數(shù)據(jù)已經(jīng)在材料數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行了定義，您可以在數(shù)據(jù)庫(kù)選項(xiàng)卡的材料庫(kù) (Materials Catalog) 中查看。

點(diǎn)擊在非序列元件編輯器中物體5對(duì)應(yīng)的行，向右找到有關(guān)探測(cè)器體積的設(shè)置參數(shù)?？梢钥吹襟w探測(cè)器沿著X、Y方向各有101個(gè)像素點(diǎn)，而沿著Z方向則有25個(gè)像素點(diǎn)。

查看已打開的探測(cè)器查看器，可以看到它顯示了體探測(cè)器中的吸收光的通量。另外在分析窗口的底部列出了所在Z平面位置的信息。探測(cè)器查看器只能以二維的形式顯示數(shù)據(jù)，因此探測(cè)器查看器每次只能查看其中一個(gè)切面的數(shù)據(jù)。Z平面設(shè)置能夠讓您調(diào)節(jié)Z方向像素點(diǎn)位置（本例中為1到25），并查看相應(yīng)XY切面的數(shù)據(jù)。

您可以在探測(cè)器查看器的設(shè)置中改變Z平面的位置，或者直接用鍵盤上的左右方向鍵進(jìn)行更改。

使用技巧：在OpticStudio中有很多類型的物體都可以被轉(zhuǎn)換為體探測(cè)器。這使您可以更方便的模擬復(fù)雜的表面或殼層結(jié)構(gòu)的探測(cè)器物體。

小結(jié)

您可以隨意查看非序列文件夾中的其他示例文件繼續(xù)探索OpticStudio中的非序列分析功能。

在您學(xué)習(xí)探索的過程中，OpticStudio的幫助系統(tǒng) (Help System) 是非常好的學(xué)習(xí)資源。您可以在幫助菜單中打開它。