LightTools：蒙特卡洛光线追迹方法模拟鬼像和杂光

LightTools 杂散光分析功能：

       LightTools 使用非序列光线追迹方法来设计、优化和分析照明系统。

       用户可以使用LightTools直接创建镜头模型（也可以通过CODE V直接导入模型）或者通过其他CAD软件导入镜头模型以及机械结构件（镜头座），从而轻松的实现光机一体化模型仿真分析。

       LightTools 使用蒙特卡洛光线追迹方法来模拟光线：

– 追迹成千上万根光线通过镜头，并将这些光线追迹的结果收集到接收器中。

– 通过设置光学属性来实现镜片表面的反射与透射现象（包括镀膜）。

       如果使用CODE V进行此类分析，那么不但需要较长的模拟时间，而且分析起来比较复杂。

       为此，LightTools提供几个实用工具专门用于分析杂散光系统：

–局部分析功能

–光线路径分析功能

–接收器滤片功能

       此次实例中，我们使用CODE V中的LightTools输出功能，直接将镜头系统从CODE V导入LightTools中。

       导出的镜头会严格按照CODE V指定的尺寸、材料以及表面属性，因为该功能是无缝链接。

       然后在LightTools中可以适当的调整透镜尺寸以匹配对应的物理元件尺寸（只有通过CODE V导入的镜头才可以任意修改透镜尺寸）。

图1：CODE V和LightTools模型

       使用LightTools中的旋转实体（ revolved solid ）建模功能完成两个镜头座建模

图2：镜头座

图3：M12 探测器保护盒

       所有透镜光学表面和M 12的保护屏表面被定义为具有单层AR涂层（默认）并且设置为分光属性。

– 透镜, 红外滤片和M 12保护屏的边缘表面定义为具有5°高斯散射角的散射属性以及菲涅尔反射。

       机械表面(底座和垫片等) 使用LightTools 完整散射光学属性（Complete Scatterer）：

– 5% 反射率

– 其中反射光线中 30% 漫反射(Lambertian)

– 70% 是15°（半角）的高斯反射

       感光器件的前表面设置为BSDF数据，该数据来自DiffractMOD（RSoft）

– 该BSDF文件在550nm波段正入射时具有36%的反射率

       CMOS芯片的结构对于检测到的杂光具有很显著的影响

– 特别是CMOS芯片前面的保护屏，如果没有对该保护屏进行适当的镀膜处理，那么从该保护屏反射回去的光线形成的杂光效果会很明显

– 下图所示感光器件三种表面属性的比较效果：图1镜面反射光学属性；图2来自Rsoft BSDF数据光学属性；图3 BSDF光学属性，但去除保护屏

图4：CMOS 芯片表面反射效果

       局部分析功能可以很形象的显示出形成鬼像的起源

       该功能目前还不能和光线路径合用，但可以快速的显示出结果

图5：局部分析

       在LightTools中光线路径分析功能主要用于杂散光分析

       光线路径分析功能可以记录每一条光线的光路

– 记录光线在整个光学系统中如何从光源到达探测器

       每条光路包括：

– 所通过的表面或zones名称

– 该光路包含多少根光线

– 该光路有多少能量

       光线路径滤片可以对不同光路到达探测器后进行过滤划分

– 滤片可以划分光路显示情况以及探测器能量收集情况，由用户在光线路径列表中选取

       光线路径可以按照能量大小进行排序（升序或降序）以便将能量大的排在前面方便选取分析

– 有助于快速找到重要的杂光路径（光线路径自己默认的排序是按照程序发现路径的排序进行排列的）

图6：光线路径分析界面

图7：光线路径分析（全路径）

图8：光线路径分析（选中路径）

       更复杂的光线路径排序可以使用光线路径分析仪

       光线路径分析仪允许用户按照一定标准快速的排序光路，包括：

– 包含或排除zones

– 包含或排除完整或部分光路

       启动该分析仪只需要在光线路径窗口点击Ray Path Analyzer 按钮即可

图9：光线路径分析仪界面

图10：光线路径分析仪实例

       光源从10°入射时的杂光结果图，图像以线性缩放显示（因为主光路能量过大）

图11：10°入射角杂光图

       在主光路成像的光斑周围看到的大面积杂光亮斑，这些亮斑多数来自于感光器件前面的保护屏（保护屏两个平面的多次反射造成）

       这种平面上一般涂有单层 MgF2 膜（~1.33% 反射率）

– 再加上感光器件本身的36%反射率，这个反射率就很高了

       如果降低保护屏的反射率（比如降低到0.2%）那么在主光路成像的光斑周围就会少很多杂光亮斑，如右图所示

图12：保护屏影响

       使用光线路径和光线路径分析仪来识别单个光源中贡献MAX的鬼像

       LightTools 证实CODE V GHO 的结果：由感光器件-表面12（ Detector-Surface 12 ）造成贡献MAX的鬼像

图13：贡献MAX的鬼像光斑

       回到CODE V中，我们需要重新优化下镜头，通过@GHOST 功能控制鬼像光斑大小

       重新优化的结果是成像系统性能有较小的降低，但是鬼像光斑得到很大的减小

图14：优化效果

结束。