📚 课程目录第3章 FRED软件入门

3. FRED软件入门

光源建模，是杂散光分析的第一步，也是最容易出错的一步。

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，分析结果自然南辕北辙。说白了，你给系统喂进去什么样的光，它就会吐出什么样的杂散光分布。光源没设对，后面全是白忙活。

  核心观点： 光源建模的本质，是用数学和几何去逼近真实世界的发光行为。FRED 提供了 5 种基础光源模型，掌握它们的物理意义和参数陷阱，是入门的第一道坎。

点光源，顾名思义，就是一个没有大小的发光点。它向所有方向均匀发光，也就是各向同性。

在 FRED 里创建点光源很简单：Source → Point Source。但参数设置里有个坑，我跟你讲讲。

小技巧： 我习惯把点光源的总功率设为 1W，这样后续看辐照度图时，数值直接就是效率百分比。比如某面上收到 0.003W，那就是 0.3% 的杂散光贡献，非常直观。

点光源适合模拟什么场景？

注意： 点光源是理想模型。真实光源总有尺寸。当光源尺寸与系统孔径可比时，点光源假设会引入误差。我曾经在一个微型投影系统里用点光源模拟 LED，结果杂散光分析偏差了 30%——后来换成面光源才校准回来。

面光源有形状、有大小、有发光分布。FRED 支持矩形、圆形、椭圆形、甚至自定义多边形面光源。

创建路径：Source → Area Source。关键参数如下：

这里有个容易忽略的点：Angular Distribution 和 Spatial Distribution 是两个不同的东西。前者描述每个发光点向不同方向发出的光强分布，后者描述面上不同位置的亮度差异。别搞混了。

  实战经验： 我做过一个空间光学遥感器的杂散光分析，太阳光从遮光罩缝隙进入系统。那个场景下，我把太阳建模成一个远场平行光照射下的朗伯面光源——用面光源 + 朗伯分布来模拟被照亮的遮光罩内壁，效果非常准。

平行光模拟的是来自无穷远的光源，比如星光、太阳光。所有光线方向一致，没有发散角。

创建路径：Source → Collimated Source。

嗯，这里要注意：平行光的 Beam Diameter 一定要覆盖整个系统入瞳，否则光线根本进不去。我见过有人设了 1mm 光束口径去分析一个 100mm 口径的镜头，结果追迹了半天，系统里一条光线都没有——全打在镜筒壁上了。

避坑指南： 我曾经分析一个卡塞格林望远镜的杂散光，平行光方向设错了 0.1°，结果鬼像位置偏了半个视场。后来我养成了一个习惯：先用少量光线（比如 100 条）预览一下光路，确认方向对了再跑大量光线。

朗伯光源，也叫余弦辐射体。它的特点是：辐亮度在所有方向上恒定。也就是说，从任何角度看，它的亮度都一样。

自然界中大多数漫反射表面都近似朗伯体。白纸、墙面、积分球内壁，都是典型的朗伯体。

在 FRED 中设置朗伯光源，通常是在面光源的 Angular Distribution 里选择 Lambertian。也可以直接创建 Source → Lambertian Source。

朗伯分布的光强公式：

I(θ) = I₀ · cos(θ)

其中 θ 是法线方向与观察方向的夹角。法线方向光强最大，90° 方向光强降为 0。

  关键理解： 朗伯光源不是均匀发光球！它只在法线方向最亮，侧面看过去会暗一些。但如果你用辐亮度（Radiance）来衡量，它确实是各向同性的——因为辐亮度定义里已经包含了 cos(θ) 因子。

高斯光束是激光器输出的标准模型。它的光强分布呈高斯函数，束腰位置光强最高，沿传播方向逐渐发散。

创建路径：Source → Gaussian Beam。参数设置比前面几种复杂一些：

发散角与束腰的关系：

θ = λ / (π · ω₀)  （M²=1 时）

重要提醒： FRED 的高斯光束模型是基于标量衍射理论的。如果你的系统中有小孔径光阑（比如直径小于 10 倍波长），标量近似会失效，这时候需要用物理光学模块。我做过一个微透镜阵列的杂散光分析，高斯光束通过 5μm 小孔，结果衍射效应非常明显，标量模型完全不准。

我的工作流： 拿到一个新项目，我通常会先建一个点光源做快速光路验证，确认系统没问题后，再换成更精确的光源模型跑正式分析。这样既快又稳，不会在前期浪费太多时间。

光源建模就讲到这里。记住一句话：没有最好的光源模型，只有最合适的。根据你的实际物理场景，选对模型，设对参数，杂散光分析就成功了一半。