照明设计中实用的光学模拟方法

本课程介绍了照明设计中不同的光学模拟方法。您将学习如何按照光线追迹的方式来设置系统,以获得最佳的设计结果。本课程还提供了一些特定模拟方法的文章链接。本课是照明学习路径的第三课。

作者 Katsumoto Ikeda

理解照明系统中的光线追迹

透镜的形状很少仅靠分析计算来确定。在实际应用中,许多光学现象都会对光束产生影响,如菲涅耳损耗(偏振)、色散、材料吸收、漫反射。我们在设计和模拟照明系统时,需要考虑到这些光学现象。对于照明系统的非序列光线追迹,很少需要考虑衍射和干涉,但仍要对光学系统进行仔细的评估。

光线追迹理论:

  • 将光看作一束光线
    • 光线具有位置、方向、能量、波长
    • 不考虑衍射
  • Ray追迹
    • 光线始于光源
    • 当光线击到表面上时,产生反射和折射改变了光线的属性(方向、能量)
    • 当光线没有击到表面上或者光线能量低于阈值时,光线追迹就会结束

原理图如下:

Ray tracing schematic

表示光线未忽略前的流程图如下图所示:

Ray tracing flowchart

在模拟中我们需要考虑的几个分布参数:

  • 光源的角分布
  • 光源的空间分布
  • 光源的光谱分布
  • 漫反射表面的漫反射分布

Spatial and angular distribution

 

照明设计中常用非序列分析。一束光线中有位置、方向、能量和波长或颜色信息。对于光学系统的模拟,我们使用多束光的统计分析表现来得到我们的结果。光线的随机性是通过每条光线的分布、设置的光线方向、能量和波长决定的。这种模拟光线的方法称为“蒙特卡罗(Monte-Carlo)”模拟,即光线是随机分布的。一束光线中只包含整个光源的一部分信息,如果我们没有使用足够的光线进行分析就会导致结果不准确。为了提高信噪比,我们需要提高分析光线的数量。使用多核CPU和GPU可以提高计算速度。

探测器的最佳分辨率与光线数量的相关性在第二课:用于照明设计的探测器中进行了讨论。光线数量少会产生大量噪声,而光线数量太多则会浪费计算资源和时间。

照明设计中可能用到的模拟方法

照明系统的模型越精确,模拟结果越精确:

  • 光源:角分布、空间分布、光谱分布、近场分布。
  • 系统中的三维物体:其形状将决定光线的反射和折射。
  • 材料:折射率、透射率,以及较小的材料的漫反射参数。
  • 表面的光学属性:光学表面的透射、反射和漫反射将决定光线与表面的相互作用。

正如计算机代码只做程序告诉它要做的事情一样,光线追迹的结果只按照我们的设置呈现。结果的准确性取决于我们建立的模型,以及我们在现实生活中对系统组件有多熟悉是非常重要的。另一方面,在建模中考虑太多的细节可能是浪费时间,设计者需要辨别哪些参数是模拟中必需的,哪些可以忽略。虽然很复杂,但是光源的漫反射特性和建模在设计中是至关重要的。

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