光學(xué)設(shè)計(jì)和分析軟件的新用戶提出的一些常見(jiàn)問(wèn)題是“結(jié)果有多準(zhǔn)確？”或者“我能相信我得到的結(jié)果嗎？”簡(jiǎn)單的答案是，它可以非常準(zhǔn)確，但更好的答案是它視而定。精度將取決于諸如模型的準(zhǔn)確性、所使用的特性的準(zhǔn)確性、源模型的準(zhǔn)確性以及光學(xué)設(shè)計(jì)和分析或射線跟蹤軟件本身的精度潛力等因素。在計(jì)算機(jī)模擬中有時(shí)使用一個(gè)縮寫(xiě)和編程，GIGO，垃圾進(jìn)，垃圾出（英語(yǔ)：Garbage in, garbage out，縮寫(xiě)：GIGO），或譯為廢料進(jìn)，廢品出，是計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息通信技術(shù)領(lǐng)域的一句習(xí)語(yǔ)，說(shuō)明了如果將錯(cuò)誤的、無(wú)意義的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)自然也一定會(huì)輸出錯(cuò)誤、無(wú)意義的結(jié)果，這在光學(xué)設(shè)計(jì)和分析軟件中也是如此。
讓我們仔細(xì)看看一些可能影響結(jié)果準(zhǔn)確性的因素以及一些例子。第一個(gè)因素是模型本身的準(zhǔn)確性。這個(gè)簡(jiǎn)單的版本是，在光學(xué)設(shè)計(jì)和分析軟件中的模型是否符合設(shè)計(jì)者的意圖？一個(gè)夸張的例子 是使用拋物面反射器的設(shè)計(jì)，但該反射器在光學(xué)軟件中被建模為一個(gè)球形反射器。請(qǐng)注意下面圖1和圖2中拋物面和球面反射器之間的光束圖案和峰值強(qiáng)度的差異。
使用的特性，如材料和表面特性，不能準(zhǔn)確地表示實(shí)際組件，那么就不能期望結(jié)果是正確的。這可能是在建模鏡頭時(shí)使用了錯(cuò)誤的玻璃材料。例如，選擇Schott B270玻璃代替Schott FK54。
圖3： 由于不同的眼鏡而引起的焦距變化。
Schott B270在上面。Schott FK54在底部
在上述情況下，不同的玻璃對(duì)焦距的影響很容易看出。在其他情況下，其影響可能很小或更難以辨別。
反射鏡或反射器的表面光潔度是影響反射器性能的一個(gè)重要因素。如果表面模型具有完美的鏡子 型性質(zhì)，一個(gè)在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中沒(méi)有吸收或散射的鏡子，但不是真正真實(shí)的，結(jié)果的模擬可能不能反映現(xiàn)實(shí)。圖4顯示了來(lái)自完美鏡面和具有散射分量的鏡面的反射射線的差異。帶散射的鏡通常會(huì)更好地匹配真實(shí)世界的結(jié)果，因?yàn)樗斜砻嫱ǔ６紩?huì)有一定的散射，即使它是非常小的量。
圖5顯示了改變?cè)跈E圓反射器上的表面特性的效果。聚焦點(diǎn)的輻照度圖的差異很容易看出。在這個(gè)例子中，最多鏡面反射鏡在左邊，最小的鏡面反射鏡在右邊。
圖5：具有不同表面性質(zhì)的橢圓反射器的輻照度圖
一個(gè)準(zhǔn)確的源模型對(duì)于從模擬中獲得良好的結(jié)果至關(guān)重要。即使模型是正確的，并且已經(jīng)應(yīng)用了適當(dāng)?shù)膶傩?，如果源模型不?zhǔn)確，仿真結(jié)果也將與真實(shí)世界的結(jié)果不匹配。這方面的一些例子是將光源建模為點(diǎn)源或?qū)⑺猩渚€建模為并行。這些都是光學(xué)分析軟件中的選擇，但在大多數(shù)應(yīng)用中，這些將不是最好的選擇。這些類(lèi)型的源模型在建立模型或進(jìn)行初始分析時(shí)可能很有用，但是為了得到準(zhǔn)確的答案，需要更改為反映實(shí)際應(yīng)用程序中使用的源的行為的更真實(shí)的源模型。幸運(yùn)的是，有許多工具可用于精確建模光源，包括來(lái)自光源制造商的射線文件和表面光 源特性，它們可以完全建模光源的光譜和角分布。
圖6顯示了一個(gè)紅外混合透鏡，光源建模為點(diǎn)光源，并使用射線文件作為實(shí)際LED。請(qǐng)注意，當(dāng)使用ray文件時(shí)，強(qiáng)度幾乎降低了4倍。在這種情況下，LED的發(fā)射面積相對(duì)較小，約為1mm2，但結(jié)果上的差異是明顯的。如果使用一個(gè)點(diǎn)源來(lái)設(shè)計(jì)和分析這個(gè)鏡頭，那么當(dāng)產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)的結(jié)果將會(huì)令人失望。
圖6：帶有點(diǎn)源和射線文件的紅外混合透鏡的強(qiáng)度圖
在源建模中，精度影響的另一個(gè)例子是圖7和圖8所示的太陽(yáng)能聚光器。把陽(yáng)光建模為平行光可能很誘人，但這也與現(xiàn)實(shí)不符。盡管陽(yáng)光的散度角相對(duì)較小，但它對(duì)結(jié)果有很大的影響。圖7顯示 了使用平行光的光斑大小和輻照度。圖8顯示了當(dāng)使用太陽(yáng)能光源時(shí)的結(jié)果。請(qǐng)注意，光斑的大小現(xiàn)在要大得多，峰值輻照度減少了185倍。
圖7：帶有平行射線的太陽(yáng)能聚光器的輻照度圖
圖8：帶太陽(yáng)能光源的太陽(yáng)能聚光器的輻照度圖
在這兩個(gè)示例中，源模型中的微小差異可能會(huì)對(duì)仿真模型產(chǎn)生重大影響。
最后一個(gè)示例顯示了將所有這些因素捆綁在一起，并包括對(duì)實(shí)際部分的測(cè)量值。圖9顯示了一個(gè)脈沖氙氣閃光燈的圖像和同一盞燈的光學(xué)模型。然后對(duì)閃光燈的各個(gè)部分應(yīng)用適當(dāng)?shù)牟牧虾捅砻嫘阅堋?/p>
利用氙弧本身的實(shí)際圖像生成了氙弧模型。該燈的光譜也被測(cè)量并用于分析。
圖10：氙氣電弧的圖像和電弧的三維光學(xué)模型
圖12顯示了模型與角度分布的測(cè)量結(jié)果。有很好的模型結(jié)果和測(cè)量結(jié)果之間的一致性，包括用于穩(wěn)定電弧的探針的效果。燈組件中白色底座的影響也得到了很好的模擬，這可以從圖中心的較高強(qiáng)度的小區(qū)域得到證明。這也與測(cè)量結(jié)果很吻合。圖13顯示了模型中使用的光譜。它的分辨率低于圖11中的數(shù)據(jù)，但與實(shí)際數(shù)據(jù)的一致性很好。
圖12：模型與角度分布的測(cè)量數(shù)據(jù)
最后一點(diǎn)是關(guān)于射線跟蹤算法本身的精確性。為了獲得最好的結(jié)果，重要的是要使用一個(gè)光學(xué)設(shè)計(jì)和分析程序，它具有精確的光線跟蹤特性，并且不為了速度而進(jìn)行近似。
光學(xué)設(shè)計(jì)和分析軟件是加快設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程的優(yōu)秀工具，同時(shí)也允許用戶在短時(shí)間內(nèi)和在虛擬環(huán)境中測(cè)試多個(gè)設(shè)計(jì)。這允許用戶在提交物理原型之前發(fā)現(xiàn)并糾正軟件環(huán)境中的錯(cuò)誤。在軟件上犯錯(cuò)誤總是更好的、更便宜的。但能夠做到這一點(diǎn)的一個(gè)關(guān)鍵是能夠信任在光學(xué)設(shè)計(jì)和分析軟件中獲得的結(jié)果。用戶需要記住，諸如點(diǎn)源和完美表面等參數(shù)只存在于軟件環(huán)境中。需要小心，設(shè)計(jì)師和工程師需要意識(shí)到，使用這些參數(shù)的結(jié)果可能不會(huì)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)。為了一個(gè)可信任結(jié)果，用戶需要一個(gè)準(zhǔn)確的模型、準(zhǔn)確的屬性、準(zhǔn)確的源模型和準(zhǔn)確的軟件。
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