【技術文章】TracePro零基礎入門-單透鏡設計

發布時間：2023-12-14

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即使是從未接觸過光學相關知識的人員，基于TracePro的超短的學習周期，亦可在很短的時間內完成整個光學設計的流程。本文將以單透鏡為例，展示在TracePro中的光學設計流程。無論光學系統的復雜程度如何，基礎的操作和軟件邏輯都是一樣的，借此給大家梳理光學設計的思路。

拋開繁多的光學設計基礎知識，在軟件操作層面，使用者只需明白光學設計目標即可。常見的光學目標主要有：照度、光強、亮度、均勻度、色度等。拋開光學知識，光學設計的本質是對光源輻射能量的再分布，因此從能量守恒的角度來理解光學設計會更容易。照度、光強等概念也是能量分布的體現方式。

回到TracePro來講，我們稱之為光學設計三要素。即：光源、光學結構、接收器。通過參數化來定義各個要素的屬性即可實現光學仿真，調節各個參數來實現目標的的過程則稱之為光學設計。

現在我們開始光學設計第一步-定義光源。對于單透鏡，假如我們關注的是焦距，那么我們自然會選擇一束平行光來進行仿真，那么基于上篇文章的內容，我們選擇格點光源來設置光源。參數如下：

對于格點光源，我們可以設置多種出光方式，可自定義格點形狀、光線數目、光束角、波長等信息。本例參數見下圖：

設置好了光源，接下來是第二步，設計光學模型-即透鏡。

打開插入透鏡，輸入透鏡孔徑、曲率、厚度、位置、透鏡材質等參數，點擊插入，即可生成一個透鏡。流程見下圖。

生成的結果如下圖，亦可通過視圖工具，顯示線框等狀態。

在生成透鏡的時候我們已經選擇了材質，因此此刻的透鏡是一個已經賦予光學屬性的結構，在確定光源，賦予結構材質后，接下來即為設置接收器。與其他光學設計軟件不同的是，TracePro的仿真默認打開遠場接收器，因此即使不設置任何接收器都可以進行光線追跡。本例中我們為了分析透鏡的焦距即匯聚效果，我們有必要分析特定距離接受面的能量分布，即照度分布。因此我們需要設置一個接受面。在此我們只需插入一個實體面即可。參數如下：

此刻已經生成了一個接收面，但此時的接收面尚未添加任何材質，加入接受面為全吸收，我們來演示這一過程：

經過這一系列操作，我們已經設置完畢，可以開始光線追跡，點擊光線追跡即可：

光線追跡結束后就可以開始分析的步驟，以照度分析為例：

會彈出照度分析界面，接收器設置可以右擊打開照度圖分析選項。

亦可進行照度截面圖分析。勾選剖面圖示。

左圖即為分析路徑，右圖即為在該路徑上的照度分布

TracePro? 是一套功能強大、準確可靠、界面友善、易學易用的光機設計仿真軟件,專門作為照明設計或是光學研究機構設計之用。TracePro? 可以進行光學成像分析、輻照度分析及人眼視覺成像分析等，幾乎涵蓋所有光線追跡上的問題。

原廠Lambda Research Corporation成立于1992年，致力于光線分析，照明系統設計分析，成像與非成像光學模擬分析與設計軟體開發，為光學模擬技術的領導者。Lambda Research Corporation的光學模擬軟件獲獎無數，主要產品TracePro、OSLO、RayViz 均為業界廣泛使用。

TracePro? 用于設計和分析照明和光學系統，OSLO?光學設計軟件用于成像系統，以及RayVizTM射線可視化軟件，一個SOLIDWORKS?插件。TracePro?通過將直觀的3D CAD界面、先進的實用工具以及與其他機械設計程序的無縫互操作性相結合，簡化了從原型到制造過程的過程。

光學仿真此刻已經結束，針對結果的情況，如需進行優化，即可調整透鏡生成時的參數并重新生成透鏡，再次進行光線追跡直到實現目標結果。

對于這樣一個極簡的光學系統，光學設計的變量亦有很多，透鏡的結構參數，透鏡的材質，透鏡的位置等均為設計的變量。對于更為復雜的系統，則是到了考驗使用者經驗的時候了，工具只是輔助進行設計，光學設計的好壞更取決于使用者的水平。熟練掌握光學工具則為如虎添翼。