Ansys Zemax光学设计软件技术教程：用于照明设计中的探测器

本课程介绍了照明系统中的探测器，并起着信息中心的作用。本文是照明系统基础学习路径第二课的一部分。在本课中，我们将介绍照明系统中各种各样的探测器以及这些探测器的使用方法。探测器是照明系统的终点，可以说是获取之前所做的所有工作成果的地方。

作者 Katsumoto Ikeda

引言：探测器的功能是什么

OpticStudio中有六种不同类型的探测器。所有的探测器都可以显示辐射度学单位--瓦(Watts)，或者光度学单位--流明(Lumens)，这与在照明设计的性能目标一文中对单位的讨论非常相似。探测器可以用来评价我们正在构建的照明系统，就像人眼观察那样去测量平面的均匀性、表面的颜色属性、光源的角谱强度。

对来自光源的非序列光线追迹以产生任意分析结果。探测器在创建时是空的，即每个像素/体像素中的初始数据是0。然后，探测器基于追迹分析的光线积累能量，直到探测器被清除。此外，探测器上获得的数据可以用于优化，我们可以基于单个像素的数据进行优化，或者基于探测器上的平均数据进行优化。

正如光源是照明设计的开始，探测器是将设计过程整合为可量化的结果，这些结果对于设计的分析和改进都是有用的。

不同的探测器

• 颜色探测器(Detector Color)：拥有任意数量像素的平面矩形探测器。此探测器可以记录并显示由三刺激值定义的非相干照明数据。此外，该探测器还可以准确地记录和显示照明的颜色。这种探测器是知识库示例和应用中比较常用的探测器类型之一。
  

• 极探测器(Detector Polar)：球面的一部分或完整的球面，用来收集角分布（远场）强度数据。可以将通过此检测器收集的数据导出到光源数据文件，如IESNA和EULUMDAT。文章如何使用极探测器和 IESNA/EULUMDAT光源数据解释了这种探测器的用法。
  

• 矩形探测器(Detector Rectangle)：拥有任意数量像素的平面矩形探测器。此探测器可以记录并显示非相干、相干、点扩散函数、偏振和其它数据。从所提供的分析功能来看，这是一类最强大的探测器，但它仅限于平面矩形形状。这种探测器是知识库示例和应用中比较常用的探测器类型之一。
  

• 面探测器(Detector Surface)：在径向和角方向上具有任意数量像素的圆形或环形探测器。表面可以遵循平面、球面、圆锥非球面或非球面形状。面探测器只能记录非相干照度数据。
• 体探测器(Detector Volume)：在局部的x、y和z方向上具有任意数量体像素的矩形体。可以将体探测器嵌套在任何其它对象内部或跨越任何其它物体。此外，还可以叠加多个体探测器，光线穿过各个体像素照射到所有体探测器上。
  

在文章如何三维显示体探测器数据中有一个关于体探测器分析的例子。

• 物体为探测器(Objects as detectors)：可以将任意形状的大多数物体作为探测器来记录非相干照度数据。
  

（探测器的完整功能列表可以通过点击设置(Setup)选项卡>编辑器组(Editors Group)(设置选项卡(Setup Tab))>非序列元件编辑器(Non-sequential Detectors)打开帮助文件中的非序列探测器）。

关于分辨率和噪声的说明

在空间分辨率和能量分辨率之间存在权衡。常见的问题是：“一个固定大小的矩形上应该使用多少像素? ”如果我们假设探测器被均匀地照亮，并假设每一束照射到探测器上的光线都有相同的光通量：

• 探测器上的信号以每个像素上的光线数量表示
• 统计噪声是每个像素上的光线数量的平方根
  

对于一个拥有10 x 10个像素的探测器，总共有100个像素，分辨率和噪声的关系如下：

[td]

	探测10000条光线 （每个像素上有100条光线）	探测1000000条光线（每个像素上有1000条光线）
信号	100	1000
噪声	SQRT(100) = 10	SQRT(1000) = 31.6
信噪比%	10%	3.16%

从上表可以看出，对于10 x 10的探测器来说，追迹10000条光线是不够的，而1000000条光线是一个更合理的追迹数目。信噪比2%是你在实验室能做到的最好的结果。一般来说，试图强迫模拟结果比这好得多是不明智的。

当我们把分辨率增加到100 x 100会发生什么：

[td]

	探测100000条光线 （每个像素上有10条光线）	探测1000000条光线 （每个像素上有100条光线）	探测10000000条光线（每个像素上有1000条光线）
信号	10	100	1000
噪声	SQRT(10) = 3.16	SQRT(100) = 10	SQRT(1000) = 31.6
信噪比%	31.6%	10%	3.16%

此结果表明，对于拥有100 x 100个像素的探测器，要获得与10 x 10的探测器相同的噪声水平，需要100倍的光线数量。这个简单的计算可以用来估计在一定的信噪比下所需要模拟的光线数量。在迭代设计时，最好花“刚好足够”的时间进行模拟，以便求得更低的光线总数。也可以使用其它方法，如在中间阶段使用探测器的平滑参数以得到平均数量的光线。由于平滑能够有效地减少像素数量，如果您不愿意长时间进行光线追迹，那么最好减少像素的数量，而不是使用带有平滑参数的高分辨率探测器。

关于探测器的实用文章

在现有的知识库文章中有一些探测器的使用示例。

如何使用极探测器和 IESNA/EULUMDAT光源数据

虽然本文主要演示了如何创建IESNA/EULUMDAT格式的光源文件，但介绍性部分也介绍了如何使用极探测器生成光源文件。这篇文章对于想要使用极探测器来创建光源的用户来说是很好的资源。

用于创建光源的极探测器是一种通过光线追迹创建固定光线数据集的方法。当光源比较复杂时，例如建立的光源模型，光源模型的光线追迹可能需要很长时间。通过创建单独的光源，我们可以将极探测器的追迹结果作为光源文件使用，并在建立光源模型之后对光学组件使用更多的处理器资源。

如何三维显示体探测器数据

本文展示了如何创建CAD模型来三维显示体探测器的数据。虽然本文使用了ZPL宏来创建数据，但是详细说明了体探测器的使用。OpticStudio中的体探测器物体是探测物体内部光线的便捷工具。它使用体像元或体像素来探测光线。然而，OpticStudio接口目前只允许在二维平面上查看这些体像素。本文将向您展示如何使用OpticStudio在体探测器中创建复杂的体素CAD模型，并给出示例ZPL宏用于自动创建这些CAD模型。

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