📚 课程目录第2章光源建模基础

2. 光源建模基础：点光源、面光源、平行光、朗伯体光源、光源波长与功率设置

做杂散光分析，说白了就是跟光“过不去”——你要找到那些不该出现的光线是从哪来的。而这一切的起点，就是光源建模。

我见过不少新手，一上来就急着追光线，结果光源类型选错了，分析半天全是废的。所以这一章，咱们把 FRED 里最常用的几种光源模型掰开揉碎讲清楚。

2.1 点光源：最简单的起点

点光源，顾名思义，就是一个点发出的光。在 FRED 里，它是最基础的光源模型。你只需要指定位置和发光方向，光线就从那个点向四面八方射出去。

我在做星敏感器杂散光分析时，经常用点光源来模拟恒星。虽然恒星是个巨大的球，但距离足够远，在光学系统里就是个点。

  关键参数：
  位置 (Position)：光源在三维空间中的坐标 (X, Y, Z)
发光方向 (Direction)：光线发射的主方向，通常用矢量表示
光束角 (Beam Angle)：光线发射的锥角范围，0° 表示全向

FRED 里创建点光源很简单：

-- 创建一个位于 (0, 0, 100) 的点光源
local source = fred.SourcePoint()
source:SetPosition(0, 0, 100)
source:SetDirection(0, 0, -1)  -- 指向 -Z 方向
source:SetBeamAngle(180)       -- 全向发光

我的习惯：做系统级分析时，我会先把所有光源都设成点光源来跑一次快速追迹，确认光路没问题了，再换成更复杂的光源模型。这样能省不少时间。

2.2 面光源：更接近真实

现实世界里，很少有真正的点光源。LED、显示屏、出射光瞳……这些都是面光源。FRED 里的面光源允许你定义一个发光面，光线从面上每个点发出。

面光源有两种常见模式：

模式	说明	典型应用
均匀发光	面上每个点发出的光线数量相同	模拟均匀背光板、积分球出光口
高斯分布	中心亮、边缘暗，符合高斯函数	模拟激光光束、光纤出光

创建面光源时，你需要先定义一个几何面（矩形、圆形、多边形等），然后把它指定为光源。

-- 创建一个矩形面光源
local rect = fred.GeometryRectangle(10, 10)  -- 10mm x 10mm
rect:SetPosition(0, 0, 50)

local source = fred.SourceFromGeometry(rect)
source:SetRayCount(10000)  -- 发射 10000 条光线

我曾经踩过的坑：面光源的采样数量很重要。光线太少，结果会有明显的“颗粒感”；光线太多，追迹时间成倍增加。我的经验是：先跑 1000 条看趋势，确认没问题了再增加到 10 万条做最终分析。

2.3 平行光：模拟无穷远

平行光，就是所有光线都沿着同一个方向传播。它用来模拟太阳光、激光准直光束，或者无穷远处的目标。

FRED 里的平行光其实是个“假平行”——它本质上是一个大尺寸的面光源，但所有光线都指向同一个方向。你想想看，太阳那么大，照到地球上不就是平行光吗？

设置平行光时，最重要的参数是：

光束直径 (Beam Diameter)：决定了照亮区域的大小
入射方向 (Incident Direction)：光线传播的矢量方向
倾斜角度 (Tilt Angle)：相对于光轴的偏转角

-- 创建一个直径 50mm 的平行光，沿 -Z 方向入射
local source = fred.SourceCollimated()
source:SetBeamDiameter(50)
source:SetDirection(0, 0, -1)

避坑指南：做太阳杂散光分析时，平行光的直径一定要大于系统入瞳直径。我一般会设成入瞳直径的 1.5 倍，确保边缘光线也能覆盖到。

2.4 朗伯体光源：最自然的发光体

朗伯体光源，说白了就是“从哪个角度看亮度都一样”的光源。白纸、毛玻璃、积分球内壁，这些都是近似朗伯体。

它的核心特征是：发光强度随角度按余弦分布。也就是说，垂直方向最亮，越倾斜越暗。

FRED 里设置朗伯体光源，通常是在面光源的基础上，把发光角度分布改成朗伯分布：

-- 创建一个朗伯体面光源
local source = fred.SourceLambertian()
source:SetGeometry(rect)  -- 使用之前创建的矩形几何体
source:SetRayCount(50000)

我在做杂散光分析时，经常用朗伯体来模拟被照亮的散射表面。比如，镜筒内壁被杂散光照亮了，它反射出去的光就近似朗伯体。

  朗伯体 vs 普通面光源：
  普通面光源：每个点向各个方向发出的光线数量相同
朗伯体光源：每个点发出的光线数量随角度余弦变化
实际效果：朗伯体看起来更“自然”，边缘不会突然变暗

2.5 光源波长与功率设置

光不只是几何问题，还有“颜色”和“能量”。在 FRED 里，波长和功率是两个必须设置的参数。

波长设置

FRED 支持单波长和多波长两种模式：

模式	设置方式	适用场景
单波长	直接指定一个波长值（单位：nm）	激光、单色 LED、窄带滤光片测试
多波长	指定多个波长及对应的权重	白光 LED、太阳光、宽光谱系统

-- 单波长设置：632.8nm（氦氖激光）
source:SetWavelength(632.8)

-- 多波长设置：模拟白光 LED
source:SetWavelengths({450, 550, 650})  -- 波长列表
source:SetWeights({0.3, 0.4, 0.3})      -- 对应权重

功率设置

功率决定了每条光线携带多少能量。FRED 里功率的单位是瓦特 (W)。

设置功率时，有个概念要搞清楚：总功率 vs 每条光线的功率。

总功率 (Total Power)：光源发出的总能量，FRED 会自动分配到每条光线上
每条光线功率 (Ray Power)：总功率 ÷ 光线数量

-- 设置总功率为 1W，发射 10000 条光线
source:SetTotalPower(1.0)
source:SetRayCount(10000)
-- 此时每条光线功率 = 1.0 / 10000 = 0.0001W

注意：功率设置直接影响杂散光分析的定量结果。如果你只是看“有没有杂散光”，功率设成 1W 就行。但如果你要计算“杂散光有多强”，就必须用真实的光源功率值。我曾经帮客户排查一个红外系统的问题，就是因为他们把光源功率设错了，导致分析结果跟实测差了 10 倍。

2.6 知识结构总览

下面这张图把本章的核心知识点串起来了，方便你对照复习：

2.7 本章小结

光源建模是杂散光分析的地基。地基没打好，上面盖的房子再漂亮也是危房。

我个人习惯是：拿到一个分析任务，先花 10 分钟想清楚“这个光源到底该用什么模型”。是点还是面？是平行还是朗伯？波长是单色还是宽谱？功率是多少？

这些问题想清楚了，后面的追迹和分析才能有的放矢。别急着点“Run”，先问问自己：我的光源设对了吗？