概述

這篇文章介紹了如何使用OpticStudio強(qiáng)大的非序列分析功能，模擬一顆鉆石的光學(xué)特性。本文使用白光光源結(jié)合OpticStudio分析真實(shí)色彩的能力，展示了鉆石的直觀視覺效果。本文運(yùn)用了一個(gè)非常巧妙的方法提高了光線追跡效率。在附件中提供的宏可以生成一個(gè)多邊形物體（Polygon object）文件，該文件為本文所模擬的鉆石模型。

本文附件請從以下鏈接下載：

介紹

鉆石的視覺表現(xiàn)包含多種不同的光學(xué)效應(yīng)：反射、折射、散射和全反射。

下圖為OpticStudio顏色探測器(Color Detector)對鉆石的成像結(jié)果：

后文中提供了生成GIF動(dòng)畫素材的宏，有關(guān)GIF動(dòng)畫制作的詳細(xì)信息請參考這篇文章：

光源設(shè)置

這里我們使用橢圓光源(Source ellipse)生成一束略微發(fā)散的光束。為了有效模擬白光的光譜，這里我們不在系統(tǒng)設(shè)置中定義波長，而是在光源物體屬性的光源選項(xiàng)卡中，選擇光源顏色為”D65 White”。這將在光源上加載0.3μm到0.78μm之間的93個(gè)波長：

建模鉆石

鉆石最著名的形狀叫做“Round brilliant-cut”，它是由Marcel Tolkowsky于1919年創(chuàng)造的。這種形狀使鉆石由一塊石頭變?yōu)殚W耀的寶石，它由57個(gè)表面組成，在OpticStudio中我們可以用多邊形物體對其進(jìn)行建模。當(dāng)多邊形物體擁有較多的面時(shí)，比如這個(gè)例子，我們可以使用宏來更方便快捷的生成多邊形物體文件。本文使用的宏請從前文鏈接下載，運(yùn)行宏后鉆石文件會(huì)在創(chuàng)建在Zemax根目錄下Object\Polygon Object文件夾中。

在上圖3D布局圖中橘色線條為多邊形物體。在非序列編輯器鉆石物體之后插入環(huán)形體（Annular Volume），并設(shè)置環(huán)形體與鉆石的外緣角重疊。在非序列模式下物體空間位置重疊部分的屬性，由編輯器中序號靠后的物體決定。因此物體屬性為空氣的環(huán)形體會(huì)對鉆石進(jìn)行“邊緣修剪”，將鉆石的邊緣變?yōu)橥昝赖膱A形。

光線收集系統(tǒng)

由于光線在鉆石中發(fā)生許多方向的折射、反射以及散射，因此單獨(dú)一個(gè)探測器只能接收到很小一部分入射進(jìn)鉆石的能量。為了使探測器收集到更多的光線，我們使用光線旋轉(zhuǎn)器（Ray Rotator）來增加光線追跡的效率。

OpticStudio中的光線旋轉(zhuǎn)器本來是用于太陽能收集系統(tǒng)中模擬太陽在一天中的移動(dòng)。然而我們只需要稍加改動(dòng)，就可以將其變成一個(gè)回射面（retro-reflector），以此來幫助我們收集所有鉆石散射出去的光線，并使用一個(gè)探測器即可完成所有光線的收集。

首先，光線旋轉(zhuǎn)器材料設(shè)為MIRROR，并將Z方向的旋轉(zhuǎn)角設(shè)為180度。這樣光線射倒旋轉(zhuǎn)器后會(huì)反轉(zhuǎn)方向，由于光路可逆，所有反射的光會(huì)經(jīng)原路返回到光源處。因此，當(dāng)光線從光源發(fā)射，且物體（鉆石）被光線旋轉(zhuǎn)器環(huán)繞時(shí)，光線的傳播順序如下：光源->物體->光線旋轉(zhuǎn)器->物體->光源。

如果將探測器放置在光源之后，則所有從光源發(fā)出的光線都將會(huì)回到光源并被探測器接收。這種建模方法可以極大的提高光線追跡的效率。

一個(gè)材料屬性為吸收的錐形管（ABSORBER）用來阻止光線不經(jīng)過物體直接到達(dá)探測器。由于鉆石為高折射率材料且光源為白光光源，鉆石散射的光線經(jīng)由探測器接收會(huì)得到五彩斑斕的表面，因此為了實(shí)際模擬這種彩色光斑，顏色探測器設(shè)置中的顯示為應(yīng)選擇真彩（True Color）。

完整系統(tǒng)

鉆石模擬的布局圖如下所示：
紅色部分為“相機(jī)”
鉆石向周圍散射光線
綠色物體為光線旋轉(zhuǎn)器
黑色物體為材料為吸收的圓環(huán)，它用來提高鉆石的成像效果
光源光譜為D65 White（太陽光）

模擬一共使用了4千萬根分析光線，對于這樣非常復(fù)雜的光路來說，8核處理器的電腦追跡完所有光線只需要5分鐘。

通過追跡一系列不同角度的鉆石圖像，最終生成如文章開始所示GIF動(dòng)畫。使鉆石旋轉(zhuǎn)并生成一系列圖像可以由宏來完成，其代碼如下所示：

當(dāng)然我們也可以改變光線旋轉(zhuǎn)器的位置得到不一樣的展示效果：

總結(jié)

這篇文章講述了：
使用宏和多邊形物體建?！盧ound Brilliant-cut”形狀的鉆石
建模包含97個(gè)波長的D65光源
使用光線旋轉(zhuǎn)器回收被散射的光線以提高收集效率
使用顏色探測器的真彩選項(xiàng)展示我們實(shí)際看到的鉆石的光斑
使用宏導(dǎo)出不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析圖