3. FRED 光源建模基础：点光源、面光源、平行光、高斯光束、自定义光源光谱与角度分布

做杂散光分析，光源建模是第一步，也是最容易出错的一步。

我见过不少工程师，光学设计做得漂亮，一到杂散光分析就翻车。翻车原因十有八九是光源没建对。你想想看，光源的强度分布、光谱特性、角度发散，哪怕差一点点，最后分析出来的鬼像和杂散光路径可能就完全不一样了。

这一章，咱们就把 FRED 里最常用的几种光源模型捋一遍。我会结合自己踩过的坑，告诉你每种光源该什么时候用、怎么用、有什么坑要避开。

3.1 点光源：最基础，但别小看它

点光源，顾名思义，就是一个几何点向所有方向均匀发光。在 FRED 里，它是最简单的光源模型，但也是很多复杂光源的构建基础。

我个人习惯，在做系统初步分析时，先用点光源快速定位潜在问题。比如，我想知道某个镜筒内壁会不会产生一次反射鬼像，放一个点光源在视场中心，跑几百条光线，几分钟就能看出趋势。

3.2 面光源：更接近真实场景

实际光学系统中，很少有真正的点光源。探测器上的杂散光，更多来自扩展光源——比如太阳照射到遮光罩内壁，或者地气光进入镜头。这时候，面光源就派上用场了。

FRED 里的面光源，可以定义成矩形、圆形、环形，甚至任意多边形。你可以给它设定均匀亮度，也可以加载一个辐照度分布图。

面光源类型	适用场景	注意事项
均匀矩形光源	模拟大面积均匀照明，如太阳光直射	边缘光线可能产生衍射效应，需注意
圆形光源	模拟圆形光阑、光纤出射端面	光线采样密度在边缘要适当加密
自定义形状光源	模拟异形光阑、挡板开口	用 CAD 导入轮廓时，注意坐标对齐

3.3 平行光：模拟无穷远光源

平行光在杂散光分析里太常用了。太阳光、星光、或者任何距离远大于系统尺寸的光源，都可以近似为平行光。

FRED 里建平行光很简单：指定一个方向向量，设定光束直径，搞定。但这里有个细节——平行光的光束直径，一定要覆盖整个系统入瞳，否则你可能会漏掉边缘入射的杂散光。

我一般做太阳杂散光分析时，会建一个直径比镜头大 20% 的平行光，然后用 50 万条光线去追迹。这样既能保证覆盖全入瞳，又不会因为边缘光线太少而产生统计误差。

3.4 高斯光束：激光系统的必备

如果你做的是激光系统，比如激光雷达、激光通信，那高斯光束就是你的老朋友了。FRED 支持基模高斯光束 (TEM00)，也支持高阶模。

高斯光束和普通几何光线的最大区别在于：它有束腰、发散角、波前曲率。FRED 在追迹时，会同时考虑光线的几何路径和光束的衍射传播。

参数	说明	我的建议
波长	中心波长	单模激光通常用 532nm、1064nm 等
束腰半径	光束最细处的半径	从激光器规格书里查，别自己估算
束腰位置	束腰在光轴上的位置	通常设在激光器输出端面
发散角	远场发散半角	注意是半角还是全角，FRED 用的是半角

3.5 自定义光源光谱与角度分布

很多时候，标准光源模型不够用。比如你要模拟一个 LED 光源，它的光谱是宽谱的，角度分布是朗伯体的。这时候，就需要自定义光源了。

FRED 提供了两种自定义方式：

1. 光谱自定义： 可以导入光谱数据文件（如 .txt、.csv），或者用内置函数生成。支持波长从紫外到远红外。
2. 角度分布自定义： 可以定义光线出射的概率密度函数。比如朗伯分布、高斯分布，或者从实测数据导入。

3.6 知识结构总览

下面这张图，是我自己总结的光源建模知识结构。每次做新项目，我都会对照这张图，确认自己有没有遗漏什么。

3.7 光源建模的通用流程

不管用哪种光源，我建议都按下面这个流程走一遍：

1. 明确需求： 你要模拟的是什么光源？太阳？激光？LED？
2. 选择模型： 根据需求，选点光源、面光源、平行光还是高斯光束。
3. 设定参数： 位置、方向、功率、波长、光线数。
4. 验证光源： 在 FRED 的 3D 视图里，打开光线显示，确认光线发射方向和分布是否正确。
5. 试跑测试： 用少量光线（比如 1000 条）跑一次，看能量分布是否合理。
6. 正式追迹： 确认无误后，增加光线数，开始正式分析。