本文为了方便大家参考,不再单讲理论上的东西,以一个简单的激光整形系统为例,简单介绍一下如何开始使用tracepro进行非序列光线追迹。
一、系统介绍
本系统是一个激光整形扩束系统,一共两片透镜,前面的是一个平凹透镜,凹面为偶次非球面,非球面系数是利用高斯分布与均匀分布的光线之间的几何关系求出的。高斯光束经过第一个表面时就已经被整形成均匀分布的发散光束了。
后面的透镜是一个平凸透镜,可以将经过第一透镜的发散光束准直,形成一束平行的平顶光束,整个系统如下图所示。

至少我们从图上可以看到,入射光是高斯分布的,而经过两个透镜后确实变成平行光束了。但是一般的激光系统是一个能量系统,高斯光束经过这个系统后能量真的均匀吗,这就是非序列光线追迹可以解决的问题。
Zemax软件自带非序列光线追迹模式,但本文属于杂光分析系列,所以还是用tracepro进行后面的演示。我们把这个模型直接导入到tracepro中,因为两个透镜都是非球面透镜,这样做比较方便,具体的方法可以参考前面的文章。

二、参数设定
首先我们定义透镜参数,包括材料特性和表面特性。透镜设计的时候使用的材料就是K9,我们选中两个透镜,选择属性-材料,在自带的玻璃库中就可以找到我们想要的。如果没有我们想要的材料的话,前面的文章也介绍了自定义材料的方法。

下一步我们定义表面,一般进行杂光分析时还是要带着机械结构一起的,机械结构表面特性定义方法没有什么特别的地方,所以我们也就不多做介绍。选择两个透镜中的前后工作表面,本文中就认为膜层是比较理想的,透过率为99%。


透镜其他的几个表面我们认为已经进行了消光黑漆的涂黑处理,在这里只是简单的演示,不考虑散射,吸收率为90%。

下一步我们还需要设定光源,我们在入瞳处插入一个格点光源,光源特性需要我们自行定义一下。

格点光源这里的参数设置也已经在之前讲过了,我们选半径为4.5mm,环数为1000环,光束分布为高斯。

在光线追迹前,我们还有两件事情要做,首先是再插入一个几何物体作为探测器,例如这个系统我们想输出直径20cm的平顶光束,我们就在第二个透镜后面再插入一个这样大小的方块。

接下来我们还需要对光线追迹选项进行设置,这是很关键的一步。选择光线追迹-光线追迹选项,打开设置界面。我们首先要改一下光线追迹阈值,一般情况下1e-5是合理的,有的时候如果我们发现像面上光线较少,可能也是和阈值有关。


三、结果验证
设置好后,点击开始追迹,通过光线筛选,我们可以选出所有入射到探测器上的光线。

选中探测器面,在分析中选辐照度/光照度分析图,我们也可以在下面的选项里修改各种设置。

先看一下第一片透镜前的能量分布,确实是高斯分布的,这说明我们设定的光源参数没有问题。然后我们再看一下探测器位置,结果在20cm的圆范围内能量基本均匀,这说明我们设计的是正确的。


四、总结
本文以一个简单的设计结果为例,展示了在非序列光线追迹软件中进行分析的基本流程,虽然这是一个激光整形系统,不是成像系统。但不论是鬼像的分析还是PST的分析,流程都大差不差。