光学设计软件的准确性

2025-11-27 00:19

光学设计软件的准确性

原文作者: Lambda Research Corporation

Westford, MA 01460

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翻译:肖立财


光学设计和分析软件的新用户提出的一些常见问题是“结果有多准确?”或者“我能相信我得到的结果吗?”简单的答案是,它可以非常准确,但更好的答案是它视而定。精度将取决于诸如模型的准确性、所使用的特性的准确性、源模型的准确性以及光学设计和分析或射线跟踪软件本身的精度潜力等因素。在计算机模拟中有时使用一个缩写和编程,GIGO,垃圾进,垃圾出(英语:Garbage in, garbage out,缩写:GIGO),或译为废料进,废品出,是计算机科学与信息通信技术领域的一句习语,说明了如果将错误的、无意义的数据输入计算机系统,计算机自然也一定会输出错误、无意义的结果,这在光学设计和分析软件中也是如此。


让我们仔细看看一些可能影响结果准确性的因素以及一些例子。第一个因素是模型本身的准确性。这个简单的版本是,在光学设计和分析软件中的模型是否符合设计者的意图?一个夸张的例子 是使用抛物面反射器的设计,但该反射器在光学软件中被建模为一个球形反射器。请注意下面图1和图2中抛物面和球面反射器之间的光束图案和峰值强度的差异。


图1:抛物面反射器的强度图

图2:球面反射器的强度图


使用的特性,如材料和表面特性,不能准确地表示实际组件,那么就不能期望结果是正确的。这可能是在建模镜头时使用了错误的玻璃材料。例如,选择Schott B270玻璃代替Schott FK54。


图3: 由于不同的眼镜而引起的焦距变化。

Schott B270在上面。Schott FK54在底部


在上述情况下,不同的玻璃对焦距的影响很容易看出。在其他情况下,其影响可能很小或更难以辨别。


反射镜或反射器的表面光洁度是影响反射器性能的一个重要因素。如果表面模型具有完美的镜子 型性质,一个在光学设计软件中没有吸收或散射的镜子,但不是真正真实的,结果的模拟可能不能反映现实。图4显示了来自完美镜面和具有散射分量的镜面的反射射线的差异。带散射的镜通常会更好地匹配真实世界的结果,因为所有表面通常都会有一定的散射,即使它是非常小的量。


图4:100%镜面与镜面的散射


图5显示了改变在椭圆反射器上的表面特性的效果。聚焦点的辐照度图的差异很容易看出。在这个例子中,最多镜面反射镜在左边,最小的镜面反射镜在右边。


图5:具有不同表面性质的椭圆反射器的辐照度图


一个准确的源模型对于从模拟中获得良好的结果至关重要。即使模型是正确的,并且已经应用了适当的属性,如果源模型不准确,仿真结果也将与真实世界的结果不匹配。这方面的一些例子是将光源建模为点源或将所有射线建模为并行。这些都是光学分析软件中的选择,但在大多数应用中,这些将不是最好的选择。这些类型的源模型在建立模型或进行初始分析时可能很有用,但是为了得到准确的答案,需要更改为反映实际应用程序中使用的源的行为的更真实的源模型。幸运的是,有许多工具可用于精确建模光源,包括来自光源制造商的射线文件和表面光 源特性,它们可以完全建模光源的光谱和角分布。


图6显示了一个红外混合透镜,光源建模为点光源,并使用射线文件作为实际LED。请注意,当使用ray文件时,强度几乎降低了4倍。在这种情况下,LED的发射面积相对较小,约为1mm2,但结果上的差异是明显的。如果使用一个点源来设计和分析这个镜头,那么当产品生产时的结果将会令人失望。


图6:带有点源和射线文件的红外混合透镜的强度图


在源建模中,精度影响的另一个例子是图7和图8所示的太阳能聚光器。把阳光建模为平行光可能很诱人,但这也与现实不符。尽管阳光的散度角相对较小,但它对结果有很大的影响。图7显示 了使用平行光的光斑大小和辐照度。图8显示了当使用太阳能光源时的结果。请注意,光斑的大小现在要大得多,峰值辐照度减少了185倍。


图7:带有平行射线的太阳能聚光器的辐照度图

图8:带太阳能光源的太阳能聚光器的辐照度图


在这两个示例中,源模型中的微小差异可能会对仿真模型产生重大影响。


最后一个示例显示了将所有这些因素捆绑在一起,并包括对实际部分的测量值。图9显示了一个脉冲氙气闪光灯的图像和同一盏灯的光学模型。然后对闪光灯的各个部分应用适当的材料和表面性能。


图9:脉冲氙气闪光灯图像及三维光学模型


利用氙弧本身的实际图像生成了氙弧模型。该灯的光谱也被测量并用于分析。


图10:氙气电弧的图像和电弧的三维光学模型

图11:氙气闪光灯的光谱


图12显示了模型与角度分布的测量结果。有很好的模型结果和测量结果之间的一致性,包括用于稳定电弧的探针的效果。灯组件中白色底座的影响也得到了很好的模拟,这可以从图中心的较高强度的小区域得到证明。这也与测量结果很吻合。图13显示了模型中使用的光谱。它的分辨率低于图11中的数据,但与实际数据的一致性很好。


图12:模型与角度分布的测量数据

图13:来自光学模型的光谱


最后一点是关于射线跟踪算法本身的精确性。为了获得最好的结果,重要的是要使用一个光学设计和分析程序,它具有精确的光线跟踪特性,并且不为了速度而进行近似。


光学设计和分析软件是加快设计和开发过程的优秀工具,同时也允许用户在短时间内和在虚拟环境中测试多个设计。这允许用户在提交物理原型之前发现并纠正软件环境中的错误。在软件上犯错误总是更好的、更便宜的。但能够做到这一点的一个关键是能够信任在光学设计和分析软件中获得的结果。用户需要记住,诸如点源和完美表面等参数只存在于软件环境中。需要小心,设计师和工程师需要意识到,使用这些参数的结果可能不会转化为现实。为了一个可信任结果,用户需要一个准确的模型、准确的属性、准确的源模型和准确的软件。

作者:Dave Jacobsen, Lambda Research Corporation

作者简介:Dave Jacobsen是Lambda研究公司的高级应用工程师,拥有超过30年的光学工程经验 。Dave Jacobsen是Lambda研究公司的高级销售工程师,他在美国和世界各地教授许多TracePro培训课程。在进入Lambda研究公司之前,Dave在珀金Elmer担任首席光学工程师,原名EG&G,将氙气闪光灯系统用于照明、机器视觉、紫外线杀菌和过程控制,以及为生物医学应用设计光谱系统。



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