018：光纤输出光斑整形光源的选择问题（非序列模式）
前面，我们已经用序列模式（实际是混合模式）描述过光纤输出光斑整形的例子，为何又要在非序列模式中再次描述呢？因为笔者在应用中发现，混合模式在某些情况下仿真的效果不佳。下面举例来说明这个问题。
随便举个例子，如图18-1所示，先将系统波长设为0.808、0.850、0.880、0.910、0.950、0.980多波长系统（多几个波长或者少几个波长都没关系），光纤作为非序列元件插入到序列模式中，光纤芯径为0.1mm；光纤输出后经消色差透镜准直，再经过一个柱面镜和一个消色差透镜聚焦成为一个椭圆形光斑。然后打开点列图，查看光斑形状。如图18-2和18-3所示，在光线数目设置为不同的条件下，光斑形状、几何尺寸会有较大差异。有时候就会怀疑，光线数目到底多少是合适的，是否光线数目越多越准确呢？不过，光线数目太多的话，会影响显示效果，刷新图像时间比较长（切换一下窗口就会刷新），内存小的话就比较讨厌了。甚至有时候光线数目差异不大（奇数或偶数差异），但也会导致显示效果差异明显。于是，我们来看看完全在非序列模式下，仿真效果又会怎样。
图18-1 光学组件列表（参数较多分段显示）
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图18-2 点列图离焦列表（光线数目7）
图18-3 点列图离焦列表（光线数目79）
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图18-4 3D光路结构图（混合序列模式）
为了减少麻烦，用不着重新在非序列模式中编辑所有组件；我们可以将上述例子直接转换到非序列模式下。步骤为，主菜单Tools→Miscellaneous→Convert to NSC Group，在弹出的对话框中，选择要转换的序列范围，比如，这里是从Surface 2到Surface 13，同时注意勾选Convert file to non-sequential mode，确定后即可转换为非序列模式，透镜元件都在。不过，你会发现，原来已有的非序列组件不能转换过来，自动消失了。不过没关系，重新编辑缺失的组件即可。如图18-5所示，添加一个圆柱体（光纤）组件，再添加若干个探测器（方便自己观察的位置即可）。
图18-5 非序列光学组件列表
接下来，我们来重点说一说光源的选择问题。因为光源的选择会明显影响仿真的实际效果。
这里，我们需要一个发散型的光源，发散角基本要和光纤的数值孔径相同，光源放在光纤前端——入射端。非序列光源组件有多种类型可选，包括椭圆形光源Source Ellipse、半导体光源Source Diode等等。这些可设置发散角的光源是否都满足要求呢，我们要看
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看这些光源通过光纤组件之后输出一段距离光线的分布情况和聚焦的情况。
我们首先选择椭圆形光源Source Ellipse作为输入光源，放在光纤输入端。表面上看，椭圆形光源Source Ellipse是一个面光源，可以分别设置两个半轴长度，但实际也是无穷远点光源。要设置光源的发散角，则需要改变发光源的位置，从无穷远改为有限距离。
图18-6 椭圆光源参数设置
如图18-6所示设置光源参数，类型Object Type选择Source Ellipse，位置Z Position设为-50.02，绘图光线数目Layout Rays设为50，分析光线数目Analysis Rays设为500000，半轴长度（相当于光阑）X Half Width、Y Half Width均设为0.02（小于光纤半径），光源距离Source Distance设为0.1，其他参数默认即可。如此设置，光源距离和光阑尺寸的配合，恰好获得数值孔径NA为0.2的光源。然后在光纤输出端、距离光纤端面0.5mm的位置放置一个探测器，检测输出光线分布情况，探测器像素500，尺寸要比预测光斑尺寸略大一些（一般2倍即可）。
设置完毕，打开3D光路结构图，如图18-7所示。可见与图18-4所示的混合序列模式没有明显区别，除了绘图光线均匀性的区别，非序列模式中绘图光线为随机分布方式，而序列模式中绘图光线为均匀分布方式。
将图像局部放大，观察光纤输入端和输出端，注意光线是否有溢出或者发散角与设想的是否一致等等，分别如图18-8和18-9所示。因为，笔者实测发现一个问题，减小光纤直径，到一定程度之后，就会影响输出端的光线数值孔径，似乎一部分发散角大的光线被消去了，输出的光线数值孔径变小了。但是，这时如果将光纤长度缩短到一定程度后，输出光线的数值孔径又能恢复正常。这个问题具体是由什么原理、原因造成的，目前还不知道。也就是说，用这个圆柱体Cylinder Volume来模拟光纤，需要注意直径-长度比例，否则丢失信息，读者注意。
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图18-7 3D光路结构图（非序列模式）
图18-8 3D光路结构图-光纤前端（非序列模式）
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图18-9 3D光路结构图-光纤出端（非序列模式）
接着，打开探测器观察窗口，再打开光线追迹控制器，追迹所有探测器光线。这里，我们放置了两个探测器，分别在光线输出端口和光线聚焦位置。先看光纤输出端的光线分布，如图18-10所示为相干模式下，光纤输出端附近的光斑形状及光线密度分布情况，从图上看，分布不是很均匀，但大体还是可以看出光斑整体轮廓效果；再切换到非相干模式下，如图18-11所示，我们看到这时光线分布严重不均匀，甚至光斑轮廓都看不到了，这显然已经和实际经验相去甚远了。
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图18-10 探测器光线分析-光线输出端（相干模式）
图18-11 探测器光线分析-光线输出端（非相干模式）
图18-12 探测器光线分析-聚焦光斑（相干模式）
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图18-13 探测器光线分析-聚焦光斑（非相干模式）
再看另外一个探测器，光线经过透镜光学系统整形聚焦后的光斑形状和光线分布情况，相干模式和非相干模式分别如图18-12和18-13所示。同样，相干模式虽然分布也不均匀，但基本还能看出光斑轮廓为以椭圆光斑；而非相干模式下，光线分别很不均匀，看上去光斑形状也不是椭圆形，而是一个变形了的菱形。于是，笔者怀疑光源的选择和设置可能不太合理。可能是由于光源本质还是一个点光源，即使通过光纤（圆柱体）后光线也没能有效匀化所致。
那么，换一个光源类型，比如半导体光源Source Diode会不会更好一些。如图18-14所示，光源类型选择Source Diode，位置Z Position设为-50.02，绘图光线数目Layout Rays设为50，分析光线数目Analysis Rays设为500000，发散角X-Divergence、Y-Divergence均设为12（匹配光纤数值孔径），其他参数默认即可。如此设置，获得的数值孔径NA差不多也为0.2的光源。然后同样在光纤输出端、距离光纤端面0.5mm的位置放置一个探测器，检测输出光线分布情况，探测器像素500，尺寸要比预测光斑尺寸略大一些（一般2倍即可）。
更新3D光路结构图，放大观察光纤入射端和输出端的光线情况，分别如图18-15和18-16所示，可见都还比较正常，没有溢出光线，输出发散角也比较合理。
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图18-14 半导体光源参数设置
图18-15 3D光路结构图-光纤前端
图18-16 3D光路结构图-光纤输出端
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图18-17 探测器光线分析-光线输出端（相干模式）
图18-18 探测器光线分析-光线输出端（非相干模式）
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图18-19 探测器光线分析-聚焦光斑（相干模式）
图18-20 探测器光线分析-聚焦光斑（非相干模式）
清空所有探测器，再重新追迹所有探测器光线。光纤输出端附近光线分布的相干模式和非相干模式分别如图18-17和18-18所示；光线通过透镜光学系统整形聚焦后的光线分布
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的相干模式和非相干模式分别如图18-19和18-20所示。可以看到，这与之前使用Source Ellipse光源时已经有一些不同，似乎有一些改善，但是还是有明显的分布不均匀现象，尤其是在非相干模式下。
从局部放大的3D光路结构图看到，入射光源实际还是类似于一个点光源，那么如果是一个面光源是否会更好一些？注意一下Source Diode的参数设置，还有一些选项没有用到。
图18-21 半导体光源参数设置
如图18-21所示，可以利用的参数还包括X、Y方向的超高斯因子X、Y-SuperGauss都设为5，光源宽度X、Y-Width都设为0.04，光源分布高斯宽度X、Y-Sigma（相当于束腰）都设为2，以及X、Y方向光源分布超高斯因子X、Y-Width Hx、Hy都设为5。这里，笔者也有些糊涂，有两个超高斯因子参数（通常来说，其值越大越接近平顶分布），仔细看了看帮助文档还是没看懂，似乎是与散光Astigmatism设置有关，当它的值不为0时，只能使用前两个超高斯因子参数，反之只能用后面的两个。只能在过程中修改对比，来设定合适需要的值。
按照上述设置完毕，再更新3D光路结构图，并放大局部观察光纤前端和输出端的光线情况，分别如图18-22和18-23所示。可以看到，输出端没有很明显的变化，但入射端的光源已经不再是点光源，看上去是一个面光源。至于是否与前述椭圆光源Source Ellipse类似，还要看后续光线追迹的探测器分布情况。
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图18-22 3D光路结构图-光纤前端
图18-23 3D光路结构图-光纤输出端
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图18-24 探测器光线分析-光线输出端（相干模式）
图18-25 探测器光线分析-光线输出端（非相干模式）
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图18-26 探测器光线分析-聚焦光斑（相干模式）
图18-27 探测器光线分析-聚焦光斑（非相干模式）
清空所有探测器，再重新追迹所有探测器光线。得到光纤输出端附近的光斑形状光线分布的相干模式和非相干模式分析图分别如图18-24和18-25所示。可以看出，相干模式和
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非相干模式下光斑尺寸和光线分布的差异已经小了很多，而且均匀性也好了很多，接近实际经验效果。而光线通过透镜光学系统后聚焦附近的光斑形状光线分布的相干模式和非相干模式分析图分别如图18-26和18-27所示。同样可以看出，相干模式和非相干模式下光斑尺寸和光线分布的差异已经小了很多，而且均匀性也好了很多，接近实际经验效果。
如果，你和笔者一样，也搞不太明白Source Diode光源的参数设置，那么还可以使用自定义动态链接库类型的光源Source DLL。Zemax正好自带了一个DLL类型的光纤光源，在目录…\\ZEMAX\\Objects\\DLL\\Sources下，有一个名为Fiber1.dll的库文件。如图18-28所示设置光源类型为Source DLL，并选择数据文件名为FIBER1.DLL的库文件，同样放在光纤入射端，参数R为光源半径，设为0.04（比光纤略小）；A、B、C为光源强度分布系数，A为常数项、B为二次项、C为四次项，作为均匀分布的话，B、C项为0；D、E、F为数值孔径分布系数，同理将D设为0.2，E、F项设为0即可。
图18-28 光纤光源参数设置
图18-29 3D光路结构图-光纤前端
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图18-30 3D光路结构图-光纤输出端
图18-31 探测器光线分析-光纤输出端（相干模式）
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图18-32 探测器光线分析-光纤输出端（非相干模式）
图18-33 探测器光线分析-聚焦光斑（相干模式）
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图18-34 探测器光线分析-聚焦光斑（非相干模式）
设置完毕，然后重复前面的工作，更新3D光路结构图，查看光纤前后端光线分别情况，分别如图18-29和图18-30所示。清空所有探测器，重新追迹所有探测器，得到光纤输出端附近和聚焦光斑附近光线追迹分析图，如图18-31至18-34所示。从光线追迹分析图来看，和半导体光源Source Diode经过多重参数设置后的效果（图18-24至18-27）差不多，甚至均匀性还更好一些。
另外，Source DLL中的FIBER1.DLL其实可以直接用作光纤输出的模拟，也就是说可以去掉例子中的光纤模型Cylinder Volume，只不过为了更进一步体现实际情况才将其保留。读者可以自己测试不用光纤模型Cylinder Volume的仿真效果，不再赘述。
唯一遗憾的是，聚焦后的光斑分析，相干模式和非相干模式的效果看上去差异还是比较明显，即便我们已经在系统参数中设置了多波长，但似乎没有什么作用。目前，笔者还不太清楚如何解释或消除这种差异。那么，实际效果仿真是用相干模式还是非相干模式，得读者自己斟酌了。
除此以外，根据这里的需求特性，还可以使用另外一种光源——辐射光源Source Radial，根据帮助手册说明，辐射光源是一个平面，矩形或椭圆形，它发射光线进入一个半球。光线在这个半球的分布是关于局部Z轴对称的，通过任意强度和角度数据的立方样条拟合来定义。点的数目包含5到181之间的任意整数。角度范围在指定的点数内被等分。
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每一点的数据是在光源远场中与那个点相对应的角度测出的相对强度。提供的数据与立方样条吻合。从样条拟合发出的光线将会跟随远场光源正确的分布。（是不是有点看不明白？）
辐射光源的好处是，可以自定义光线的角度分布密度，适合那种即不是均匀角分布也不是高斯分布的类型，举个例子，比如典型的LED光源，如图18-35所示。当然，不同的产品其角度分布密度曲线是不同的，有的大有的小，应用场合不同。
图18-35 LED发光二极管光强角度分布示意图
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图18-36 LED发光二极管光Zemax仿真图
图18-37 LED发光二极管光Zemax仿真图
将光源类型改为Source Radial，位置Z Position设为100（随意），绘图光线数目Layout Rays 设为200，分析光线数目Analysis Rays设为500000，发光面尺寸X Half Width和Y Half Width均设为0.5，光源发光角度的最小值Minimum Angle设为0，最大值Maximum Angle设为90，拟合点数# Of Points设为10，其后会有10个参数数据需要输入，即每个拟合点的相对值。假设0度点的相对强度I（0.00）设为
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1.00，10度点的相对强度I（10.00）设为0.95，20度点的相对强度I（20.00）设为0.90，30度点的相对强度I（30.00）设为0.85，40度点的相对强度I（40.00）设为0.75，50度点的相对强度I（50.00）设为0.60，60度点的相对强度I（60.00）设为0.45，70度点的相对强度I（70.00）设为0.30，80度点的相对强度I（80.00）设为0.20，90度点的相对强度I（90.00）设为0.10。其他参数默认，可以在距离发光面5.00mm的位置放置探测器，观察光斑强度分布。从3D光路结构图中可以看到发光面的光线分布情况，如图18-36所示。
如果将最大发光角度限制为60度，拟合点数仍然为10个点，且每个点的相对强度不改变，即假设0度点的相对强度I（0.00）设为1.00，6度点的相对强度I（6.67）设为0.95，13度点的相对强度I（13.33）设为0.90，20度点的相对强度I（20.00）设为0.85，26度点的相对强度I（26.67）设为0.75，33度点的相对强度I（33.33）设为0.60，40度点的相对强度I（40.00）设为0.45，46度点的相对强度I（46.67）设为0.30，53度点的相对强度I（53.33）设为0.20，60度点的相对强度I（60.00）设为0.10。其他参数默认，从3D光路结构图中可以看到发光面的光线分布情况，如图18-37所示。
在距离发光面5.00mm的位置放置探测器，观察光斑强度分布。上述两种情况下的光斑强度分析图分别如图18-38和18-39所示。可见发散角不同，能量集中度也就不同。从探测器所接收到的总功率，也能看出发散角的影响和区别。
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图18-38 LED发光二极管光Zemax光线分析仿真图
图18-39 LED发光二极管光Zemax光线分析仿真图
现在我们可以用Source Radial类型的光源替代前面的光源，放在光纤入射端。主要参数设置为，位置Z Position设为-50.02，绘图光线数目Layout Rays 设为200，分析光线数目Analysis Rays设为500000，发光面尺寸X Half Width和Y Half Width均设为0.04，光源发光角度的最小值Minimum Angle设为0，最大值Maximum Angle设为12，拟合点数# Of Points设为5，其后会有5个参数数据需要输入，即每个拟合点的相对值。假设为均匀分布，即0度点的相对强度I（0.00）设为1.00，3度点的相对强度I（3.00）设为1.00，6度点的相对强度I（6.00）设为1.00，9度点的相对强度I（9.00）设为1.00，12度点的相对强度I（12.00）设为1.00。其他参数默认。从3D光路结构图中可以看到光纤入射端发光面和光纤输出端的光线分布情况，分别如图18-40和18-41所示。
再重新追迹所有探测器光线，与前面的步骤相同，检查每个探测器分析光线的情况。结Radial和Source DLL果如图18-42到图18-45所示。从结果来看，光源类型Source
经过设置是可以获得相同效果的光源，也是可以独立使用的面光源类型，但并不能直接用作模拟光纤端面的光源，在形状上有所区别。
需要说明的是，辐射光源Source Radial实际上还是一个矩形光源，如图18-46所示，因为他可以分别设置两个轴的半宽；而Source DLL中的FIBER1.DLL是一个圆形光
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源，因为他只能设置半径长度，如图18-47所示。当独立作为光源的时候要注意这两者的区别，尤其是要对汇聚光斑形状和分布有较为严格要求的时候。
图18-40 3D光路结构图-光纤入射端
图18-41 3D光路结构图-光纤输出端
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图18-42 探测器光线分析-光纤输出端（相干模式）
图18-43 探测器光线分析-光纤输出端（非相干模式）
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图18-44 探测器光线分析-聚焦光斑（相干模式）
图18-45 探测器光线分析-聚焦光斑（非相干模式）
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图18-46 辐射光源Source Radial一般形状（非相干模式）
图18-47 Source DLL中的FIBER1.DLL光源一般形状（非相干模式） 更正：仔细看过用户手册之后，发现辐射光源Source Radial也可以设置为圆形光斑，当X、Y轴的半宽度是符号相反时（比如X=-0.04，Y=0.04），即为圆形光斑。
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