📚 课程目录第2章光源定义与设置

第2章：光源定义与设置——从点亮第一根光线开始

做非序列光线追迹，第一步就是定义光源。说白了，光源就是整个系统的“起点”。你光源设错了，后面追迹再精确也是白搭。我记得刚接触Code V那会儿，就因为在点光源和面光源之间选错了类型，折腾了整整一个下午。

这一章，我们就把光源的定义与设置彻底讲透。包括点光源、面光源、准直光源的区别，波长与功率怎么配，还有偏振属性怎么玩。

2.1 光源类型：点、面、准直

Code V的非序列模式里，光源分三大类。我习惯把它们比作“手电筒”、“日光灯”和“激光笔”。你想想看，这三样东西的发光方式完全不同，对吧？

光源类型	英文名称	核心特征	典型应用场景
点光源	Point Source	从空间一点向所有方向发光	LED模拟、小孔径照明、光纤端面
面光源	Surface Source	从某个几何面（矩形、圆形、环形）发光	背光模组、大面积照明、显示屏
准直光源	Collimated Source	所有光线平行出射，无发散角	激光系统、干涉仪、平行光管

2.1.1 点光源

点光源是最基础的光源类型。它在Code V里用 SOURCE POINT 命令定义。你只需要指定位置坐标，光线就会从那个点向四面八方发射。

! 定义一个位于 (0, 0, 0) 的点光源
SOURCE POINT
  POSITION 0 0 0
  RAYS 10000
  WAVELENGTH 0.55
  POWER 1.0
END

这里有个坑——RAYS 参数控制的是追迹光线数量。我刚开始做项目时，为了省时间只设了100条光线，结果照度分布图全是锯齿。后来才明白，非序列追迹本质是蒙特卡洛方法，光线数量不够，统计噪声就大。一般建议至少5000条起步，复杂系统要上万条。

我的经验： 点光源的发光角度默认是4π球面度（全向）。如果你需要模拟LED的朗伯体发光，记得加 ANGULAR_DISTRIBUTION LAMBERTIAN 参数。

2.1.2 面光源

面光源比点光源复杂一些。它需要定义发光面的形状和尺寸。Code V支持矩形、圆形、环形、多边形等多种面光源。

! 定义一个矩形面光源，尺寸 10mm x 5mm
SOURCE RECTANGLE
  POSITION 0 0 0
  WIDTH 10
  HEIGHT 5
  RAYS 20000
  WAVELENGTH 0.55
  POWER 1.0
END

面光源的发光方向默认是法线方向。但你可以通过 ANGLE 参数让它倾斜，或者用 DIVERGENCE 参数控制发散角。

注意： 面光源的 POWER 是总功率，不是单位面积功率。如果你把面光源面积放大一倍，单位面积的辐照度会下降一半。我曾经在背光模组设计里吃过这个亏，照度怎么调都不对，最后发现是功率理解错了。

2.1.3 准直光源

准直光源，说白了就是所有光线都平行。它没有发散角，光线方向完全一致。这在激光系统里用得最多。

! 定义一个准直光源，光束直径 5mm
SOURCE COLLIMATED
  POSITION 0 0 0
  DIAMETER 5
  DIRECTION 0 0 1
  RAYS 5000
  WAVELENGTH 0.6328
  POWER 0.5
END

准直光源的 DIRECTION 参数很关键。它决定了光线传播方向。默认是Z轴正方向，但你可以改成任意方向。我做过一个激光三角测距项目，需要把激光倾斜入射到被测物体上，就是靠调这个参数实现的。

2.2 波长与功率设置

光源的波长和功率，是光学系统最核心的两个物理量。波长决定了光与物质的相互作用方式，功率决定了系统的能量预算。

2.2.1 波长设置

Code V支持单波长和多波长两种模式。单波长用 WAVELENGTH 参数，单位是微米。多波长用 WAVELENGTHS 列表。

! 单波长：0.55μm（绿光）
WAVELENGTH 0.55

! 多波长：红绿蓝三色
WAVELENGTHS 0.45 0.55 0.65
WEIGHTS 1.0 1.0 1.0

多波长模式下，WEIGHTS 参数控制每个波长的相对权重。如果你模拟的是白光LED，权重就按光谱功率分布来设。我做过一个投影系统，需要精确匹配D65标准光源，权重配比调了十几轮才满意。

波长 (μm)	颜色	典型应用
0.405	紫光	蓝光BD、紫外固化
0.532	绿光	激光指示、医疗
0.6328	红光	He-Ne激光、干涉
0.85	近红外	光纤通信、传感
1.55	红外	长距离通信、激光雷达

2.2.2 功率设置

功率的单位是瓦特（W）。Code V里用 POWER 参数设置。但要注意，这个功率是光源发射的总功率，不是到达接收面的功率。

实际系统中，光线经过反射、折射、吸收后，能量会衰减。非序列追迹会精确计算每条光线的能量传递。你可以在接收面上用 DETECTOR 查看实际接收到的功率。

  关键概念： 非序列追迹中，每条光线携带的能量 = 总功率 / 光线数量。所以光线数量越多，每条光线携带的能量越小，统计结果越平滑。

2.3 光源的偏振属性

偏振，是很多初学者容易忽略的属性。但在某些系统里，偏振决定了成败。比如液晶显示、偏振分光、激光干涉，这些系统对偏振极其敏感。

2.3.1 偏振状态定义

Code V支持多种偏振状态：

非偏振（Unpolarized）： 默认状态，光线偏振方向随机
线偏振（Linear）： 电场方向固定，用 POLARIZATION ANGLE 指定角度
圆偏振（Circular）： 左旋或右旋，用 POLARIZATION TYPE CIRCULAR
椭圆偏振（Elliptical）： 介于线偏振和圆偏振之间

! 设置线偏振，偏振角45度
SOURCE POINT
  POSITION 0 0 0
  POLARIZATION LINEAR
  POLARIZATION_ANGLE 45
END

! 设置右旋圆偏振
SOURCE POINT
  POSITION 0 0 0
  POLARIZATION CIRCULAR
  POLARIZATION_HANDEDNESS RIGHT
END

2.3.2 偏振追迹的开启

默认情况下，Code V的非序列追迹不计算偏振。你需要手动开启偏振追迹功能：

! 开启偏振追迹
POLARIZATION ON

开启后，系统会追踪每条光线的琼斯矢量（Jones Vector）或斯托克斯参数（Stokes Parameters）。你可以在探测器上查看偏振态的变化。

性能警告： 偏振追迹的计算量比非偏振追迹大很多。光线数量越多，计算时间增长越明显。我建议你先用非偏振模式调试系统，确认光路没问题后，再开启偏振做最终验证。

2.3.3 偏振相关的避坑指南

我曾经做过一个偏振分光棱镜（PBS）的仿真。一开始怎么都得不到正确的分光比，后来发现是光源的偏振方向没对准PBS的偏振轴。你想想看，线偏振光入射角度差10度，分光比就可能从50:50变成70:30。

另一个常见问题是：很多人忘了在材料属性里设置双折射。如果系统里有双折射晶体（如石英、方解石），必须定义材料的 BIRERRINGENCE 参数，否则偏振追迹结果完全不对。

我的习惯： 每次设置偏振光源后，先用一个简单的偏振分析器（比如理想偏振片）验证光源的偏振状态是否正确。这一步花不了几分钟，但能避免后面整个系统白跑。

2.4 本章知识体系

下面这张图，把光源定义的核心逻辑串起来了。你可以把它当作一个快速参考。

嗯，这一章的内容就到这里。光源定义看起来简单，但每个参数背后都有讲究。我建议你打开Code V，把上面几个例子都跑一遍。亲手试试点光源、面光源、准直光源的区别，再调调波长和偏振，感受一下参数变化对追迹结果的影响。