第2章：光源建模——点光源、面光源、朗伯体光源、LED光源模型

光源建模这事儿，说实话是照明设计里最基础也最容易翻车的一环。我见过不少新手，一上来就急着调透镜、跑优化，结果光源模型没建对，后面全白忙活。今天咱们就把这四种光源模型掰开揉碎了讲清楚。

2.1 点光源：最理想，也最不真实

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。嗯，现实中不存在这种东西。但为什么我们还要学它？

因为简单。在系统初步评估、概念验证阶段，点光源能帮你快速判断光路走向。我个人习惯在项目初期先用点光源跑一版，看看整体光路有没有明显问题。

在Zemax非序列模式里，点光源的设置很简单。你只需要指定位置和光通量就行。但要注意——点光源的强度分布是均匀的，这跟实际光源差别很大。所以用它做的仿真结果，只能看个大概趋势。

2.2 面光源：开始接近真实

面光源比点光源进了一步。它有一个实际的发光面，比如一个矩形或圆形区域。每个点都在发光，但发光特性可以单独定义。

我在项目中遇到过这样的情况：用点光源仿真时，系统效率看着挺高，换成面光源后直接掉了15%。为什么？因为面光源有尺寸，边缘光线会被遮挡或切割。这就是面光源的价值——它开始反映真实器件的物理尺寸了。

面光源的常见设置参数：

参数	说明	典型值
发光面形状	矩形、圆形、椭圆等	矩形 (1mm×1mm)
发光面尺寸	长、宽或半径	1~5 mm
光线数量	每条光线代表一个采样点	10万~100万条
发光角度	光线出射的角分布	朗伯体或自定义

2.3 朗伯体光源：最常用的近似

朗伯体光源，说白了就是「各个方向看起来一样亮」的光源。你从正面看它，和从侧面看它，亮度是一样的。这听起来有点反直觉，对吧？

为什么会这样？因为朗伯体的发光强度随角度按余弦规律变化。角度越大，发光面积在视线方向上的投影越小，但发光强度也越小，两者抵消，亮度就保持不变。

很多实际光源在一定的角度范围内都近似朗伯体。比如荧光灯管、某些LED芯片的发光面。我做过一个背光模组项目，里面的扩散板出光就非常接近朗伯体。用朗伯体模型仿真，结果跟实测偏差不到3%。

在Zemax里设置朗伯体光源，通常是在Source Diode或Source Radial里选择Angular Distribution为Lambertian。光线角度分布会自动按余弦规律生成。

2.4 LED光源模型：芯片+透镜

这才是咱们实际工作中最常碰到的。一个真实的LED，不是简单的点或面，而是「芯片+透镜」的组合体。

芯片是发光核心，通常是一个矩形的小方块，尺寸在0.5mm到几毫米之间。芯片本身近似朗伯体发光。但外面还包了一层透镜——这透镜会改变光线的出射角度。

我记得有一次做路灯设计，客户给的LED规格书上写的是120°发光角。我直接用120°的朗伯体光源仿真，结果做出来实际测试只有90°。后来拆开LED一看，里面透镜的曲率跟我想的不一样。从那以后，我养成了一个习惯：

如果你嫌麻烦，也可以用Zemax自带的Source Diode。它内置了LED的简化模型，可以设置发光角度和芯片尺寸。但说实话，精度有限。对于高要求的项目，我还是建议自己建芯片+透镜的完整模型。

下面是一个简单的LED模型代码示例（Zemax非序列模式下的ZPL宏）：

! 建立LED芯片
OBJECT 1
  RECTANGLE
  X 0 Y 0 Z 0
  X HALF 0.5 Y HALF 0.5
  MATERIAL AIR
  ! 设置为光源
  SOURCE
  FLUX 100
  ANGULAR DISTRIBUTION LAMBERTIAN

! 建立透镜
OBJECT 2
  SPHERE
  X 0 Y 0 Z 1.0
  RADIUS 2.0
  MATERIAL "SILICONE"
  ! 半透明，允许光线通过
  TRANSMIT

这段代码建了一个1mm×1mm的朗伯体芯片，前面加了一个半径2mm的硅胶透镜。芯片到透镜的距离是1mm。你可以根据实际LED调整这些参数。

2.5 四种光源的选用原则

说了这么多，到底什么时候用哪种？我总结一下：

• 点光源： 概念验证、光路走向判断。别当真，就当个参考。
• 面光源： 光源尺寸不可忽略时。比如COB LED、大功率LED阵列。
• 朗伯体： 漫射表面、扩散板出光、荧光灯管。精度够用，计算快。
• LED芯片+透镜： 实际LED灯具设计。精度最高，但建模麻烦一点。

嗯，光源建模就讲到这里。下一章咱们聊聊光线追迹的算法原理——为什么有些光线跑着跑着就丢了？到时候我会分享一个我踩过的坑，跟光线分裂有关，挺有意思的。