本課程介紹了照明設(shè)計中不同的光學(xué)模擬方法。您將學(xué)習(xí)如何按照光線追跡的方式來設(shè)置系統(tǒng)，以獲得最佳的設(shè)計結(jié)果。本課程還提供了一些特定模擬方法的文章鏈接。本課是照明學(xué)習(xí)路徑的重要內(nèi)容。

理解照明系統(tǒng)中的光線追跡

透鏡的形狀很少僅靠分析計算來確定。在實(shí)際應(yīng)用中，許多光學(xué)現(xiàn)象都會對光束產(chǎn)生影響，如菲涅耳損耗（偏振）、色散、材料吸收、漫反射。我們在設(shè)計和模擬照明系統(tǒng)時，需要考慮到這些光學(xué)現(xiàn)象。對于照明系統(tǒng)的非序列光線追跡，很少需要考慮衍射和干涉，但仍要對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)的評估。

光線追跡理論：

· 將光看作一束光線

1、光線具有位置、方向、能量、波長

2、不考慮衍射

· Ray追跡

1、光線始于光源

2、當(dāng)光線擊到表面上時，產(chǎn)生反射和折射改變了光線的屬性（方向、能量）

當(dāng)光線沒有擊到表面上或者光線能量低于閾值時，光線追跡就會結(jié)束

原理圖如下：

表示光線未忽略前的流程圖如下圖所示：

在模擬中我們需要考慮的幾個分布參數(shù)：

· 光源的角分布

· 光源的空間分布

· 光源的光譜分布

· 漫反射表面的漫反射分布

照明設(shè)計中常用非序列分析。一束光線中有位置、方向、能量和波長或顏色信息。對于光學(xué)系統(tǒng)的模擬，我們使用多束光的統(tǒng)計分析表現(xiàn)來得到我們的結(jié)果。光線的隨機(jī)性是通過每條光線的分布、設(shè)置的光線方向、能量和波長決定的。這種模擬光線的方法稱為“蒙特卡羅(Monte-Carlo)”模擬，即光線是隨機(jī)分布的。一束光線中只包含整個光源的一部分信息，如果我們沒有使用足夠的光線進(jìn)行分析就會導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。為了提高信噪比，我們需要提高分析光線的數(shù)量。使用多核CPU和GPU可以提高計算速度。

探測器的最佳分辨率與光線數(shù)量的相關(guān)性見文章：《用于照明設(shè)計中的探測器》 光線數(shù)量少會產(chǎn)生大量噪聲，而光線數(shù)量太多則會浪費(fèi)計算資源和時間。

照明設(shè)計中可能用到的模擬方法

照明系統(tǒng)的模型越精確，模擬結(jié)果越精確：

光源：角分布、空間分布、光譜分布、近場分布。

系統(tǒng)中的三維物體：其形狀將決定光線的反射和折射。

材料：折射率、透射率，以及較小的材料的漫反射參數(shù)。

表面的光學(xué)屬性：光學(xué)表面的透射、反射和漫反射將決定光線與表面的相互作用。

正如計算機(jī)代碼只做程序告訴它要做的事情一樣，光線追跡的結(jié)果只按照我們的設(shè)置呈現(xiàn)。結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于我們建立的模型，以及我們在現(xiàn)實(shí)生活中對系統(tǒng)組件有多熟悉是非常重要的。另一方面，在建模中考慮太多的細(xì)節(jié)可能是浪費(fèi)時間，設(shè)計者需要辨別哪些參數(shù)是模擬中必需的，哪些可以忽略。雖然很復(fù)雜，但是光源的漫反射特性和建模在設(shè)計中是至關(guān)重要的。

后續(xù)我們將會更新一些具體的關(guān)于模擬方法的實(shí)用文章。