ZEMAX进阶技巧：极探测器与IESNA/EULUMDAT光源数据应用

本文介绍了如何使用极探测器和导入/导出 IESNA 和 EULUMDAT 光源数据，以及对 NSDP 优化操作数和 ZPL 数值函数进行描述。将使用封装好的 LED 来演示这些功能。（联系我们获取文章附件）

简介

OpticStudio 有许多内置的、用于模拟各种光源发出光线的空间和角分布的非序列光源类型。极探测器可用于测量任何光源的辐射强度，包括导入如 IESNA 或 EULUMDAT 的导入光源。一旦选定了光源并对光学系统进行建模和优化，极探测器还可以用于将单个光源数据或光学系统导出为可用于其他软件的标准格式。

本文将展示如何导出光源角空间数据，以及如何将其导入 OpticStudio 以验证是否为适当的能量分布。

极探测器

极探测器是在极坐标图上显示辐射强度数据的球形探测器，可以存储非序列模式下光源光线到达探测器物体的能量和三刺激值（真彩）数据。这种类型的探测器为“远场”探测器，而不是以空间坐标系显示数据的“近场”探测器。对于光源特性的显示而言，远场强度数据通常是显示强度信息的最佳方法，极坐标则系是观察光源角空间数据最直观的方式。

极探测器有以下特性参数：

• 最大角 ( Maximum Angle )：最大极角（以度为单位），必须介于0到180度之间。由于是极角，所以将定义球体。
• 径向尺寸 ( Radial Size )：探测器的最大径向尺寸。这决定了球面探测器的半径。
• 径向像元数 ( #P pixels )：沿极角方向的像元数，必须介于10到721之间。
• 角度像元数 ( #A pixels )：沿方位角方向的像元数，必须介于12到720之间。
• 镜像( Mirroring )：镜像允许探测器利用入射光线的对称性。大多数探测器类型都支持此功能。

请注意，极探测器的顶点与该探测器的局部坐标系原点之间的距离等于探测器半径。建议将探测器置于被测光源的中心，在这种情况下，径向尺寸决定了探测器顶点到光源的距离，而角度尺寸决定了探测器的横向范围（与光源的夹角）。为了能够充分表明光源特性，探测器的尺寸及其放置的位置都应该使其能够收集来自光源的所有光线。

优化操作数 NSDP 可以用来优化极探测器的数据。

NSDP 操作数的语法如下：

NSDP   Surf   Det#   Pix#   Data

Surf 定义非序列组（在纯非序列模式中始终为1）的面序号，Det# 定义所需的极探测器的物体编号（也可以用来清除单个或所有的探测器），Pix# 定义需要返回的特定像素值或计算值，Data 则定义是否返回能量、通量、辐射强度/光度、色度或三刺激值。

Zemax 编程语言 ( Zemax Programming Language ) 中的数值函数NSDP()与优化操作数NSDP返回相同的数据。使用这个函数可以在宏中返回所需的任何极探测器的数据。

IESNA 和 EULUMDAT 数据格式

IESNA 和 EULUMDAT 文件格式为表示角数据的标准化方法。这两种格式都是 ASCII 文本文件，其中列出了离散的极角和方位角的相对强度数据。IESNA 文件扩展名为 *.IES，EULUMDAT 文件扩展名为 *.LDT。

有关 IESNA 格式的更多信息，请参见以下链接：

https://www.ies.org/

有关 EULUMDAT 格式的更多信息，请参见以下链接：

https://en.wikipedia.org/wiki/EULUMDAT

OpticStudio 有两种光源类型可以将 IESNA 和 EULUMDAT 文件导入到非序列系统中。“IESNA 文件光源 ( Source IESNA File ) ”和“ EULUMDAT 文件光源 ( Source EULUMDAT File )”，分别为 IESNA 和 EULUMDAT 格式。IES 文件必须放在{Zemax}\Objects\Sources\IESNA目录中，LDT文件必须放在{Zemax}\Objects\Sources\EULUMDAT  目录中。一旦将文件保存在这些目录中，它们将作为选项出现在物体属性对话框中。

保存极坐标探测器数据为 IES/LDT 光源文件工具

在极探测器上记录的任何辐射强度数据都可以导出为 IES 或 LDT 文件。运行光线追迹并在探测器接收到能量之后，可以使用导出光源数据工具创建IES或LDT光源文件。导出工具可以通过点击：分析 (Analyze) > 探测器工具  (Detector Tools) > 保存极坐标探测器数据为 IES/LDT 光源文件 打开。

导出工具有以下几个选项：

• 格式 ( Format )：导出为 IESNA 或 EULUMDAT 格式
• 探测器 ( Detector )：导出数据的极探测器
• 文件名称 ( File Name )：要保存的光源文件的名称（没有扩展名）
• 平滑度 ( Smoothing )：在保存之前将平滑因子应用于数据

根据格式将该文件保存到 {Zemax}\Objects\Sources\IESNA 或 {Zemax}\Objects\Sources\EULUMDAT 目录。如果有完整的路径名，则将文件保存到该目录。

注意，该工具也可以同时导出光线辐照度、强度和位置数据。光线数据库设置中包含将光线保存在特定物体上的选项。需要做的就是进行光线追迹，并保存光线，打开光线数据库并选择文件来保存光线，然后使用  *.dat 文件定义光源文件。

LED 示例：极探测器 ( Polar Detector )

为了说明极探测器和光源导出工具的功能，本文将研究 LED 模型示例文件。在附件中找到示例文件  “led_model_poldet.zar” ，并打开该文件。

该文件中的 LED 是使用带有有源区的体光源和几个模拟 LED 封装和电源线的几何物体来建模的。注意：极探测器是体光源的参考物体 ( Ref Object )，最大接收角为60°。探测器的顶点距离光源20毫米。

将探测器查看器定义为显示极探测器数据时，OpticStudio 自动显示极坐标图，能够直观地查看辐射强度数据。除了以极坐标绘图标记外，探测器查看器还能够以极坐标，而不是笛卡尔坐标显示窗口光标。

进行光线追迹，并比较矩形探测器和极探测器上的辐射强度结果。

两幅图中显示的辐射强度分布基本一致。请注意，极探测器像素实际上是三角形区域，最终组合像素得到大致相同的尺寸。矩形探测器具有面积相等的矩形像素。这种差异会引起能量分布的变化。

当对这两种类型的探测器进行比较时，以极坐标图显示辐射强度的好处是显而易见的。除了极坐标绘图标记和极坐标外，极探测器还可以捕获任何角度（甚至超过90度）的光线，而矩形探测器不能，因为它是平面的。

两种探测器都没有收集到从 LED 发出的所有能量。单个平面探测器无法探测到光源发出的90度以上的全部能量，这就是极探测器真正的优势。在极探测器上可以定义的最大角度为180度，此时探测器变成了完整的球体，理想情况下，所有的能量都应该到达探测器上。在此示例中，来自 PMMA 封装和反射元件的菲涅耳反射导致一些能量丢失/被吸收。

实体模型图显示了球面极探测器和其捕获发射到实心球体光线的能力。

极坐标图显示超过100°时入射能量很少。

将图进行 log-5 显示：在180°范围内有少量的能量。

捕获发射到 4*pi 球面度的光线的能力使极探测器能够对任何光源特性进行显示。现在极探测器中含有关于封装的 LED 的信息，可以将这些数据导出为 IES 或 LDT 文件。

Led 示例：导出光源

导出光源数据工具用于将存储在极探测器上的辐射强度数据转换为 IES 或 LDT 格式。为确保能量分布仍然存储在探测器上，点击：分析 ( Analyze ) >探测器工具 ( Detector Tools ) >输出极性探测器数据作为 IES/LDT ( Export Polar Detector Data as IES/LDT ) ，打开导出光源数据工具。

按照下图进行设置并点击 “OK”。

这就是创建 IESNA 或 EULUMDAT 光度数据文件的全部内容！任何非序列光源或光源的组合都可以用来创建光源文件，只需简单地进行极探测器定义和光线追迹。

要验证导出的强度文件，可以使用 EULUMDAT 文件光源 ( Source EULUMDAT File )类型导入 LDT 文件。本文附件中的另一个文件   “led_model_LDT.zar”  中只包含此光源和极探测器，现在打开它。

请注意，将 EULUMDAT 文件光源建模为点光源，而不是原始光源那样的椭圆体。根据极探测器记录的辐射强度文件来选择光线方向。进行光线追迹，并将辐射强度文件与原系统进行比较。

像刚才那样比较结果，请记住，EULUMDAT 文件光源放置的位置，与初始时相对于极探测器的位置一样，并且光源和极探测器的属性应该与记录数据时相同。

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