图像仿真(Image Simulation)
该功能通过卷积具有点扩散函数阵列的光源位图文件来仿真成像。考虑的效应包括衍射、像差、畸变、相对照度、图像方向和偏振。
光源位图设置
输入文件(Input File) 光源位图文件名。文件可为BMP、JPG、PNG、IMA或BIM文件格式。关于IMA和BIM文件格式的说明，请参见"IMA格式(The IMA format)"和"BIM格式(The BIM format)"。输入文件存储在<images>文 件夹（请参阅"文件夹(Folders)"）中。IMA和BIM文件每个方向的像素必须大于1，但不超过8,000，而BMP、JPG和PNG文件每个方向的像素则必须大于1，不超过16,000。
视场高度(Field Height) 该值定义视场坐标中光源位图y轴的全高，它可以使用镜头单位或度数，具体取决于当前视场定义（分别为高度或角度）。如果视场类型为"实际像高"，则视场类型会 针对该分析自动更改为"近轴像高"(Paraxial Image Height)。这可避免像面实际像高掩盖图像畸变的问题。在应用过采样、安全宽度或旋转后，将视场高度应用于结果位图。
过采样(Oversampling) 过采样通过将一个像素复制成2个、4个或更多相同的相邻像素，增加光源位图的像素分辨率。本功能旨在增加每个视场单位的像素数。只要任何方向的最大像素数不超过16,000，每次就以2为因子应用过采样，直至达到指定的过采样为止。该极值仅适用于过采样功能，对输入文件不适用。在考虑光学系统的效应之前将过采样应用于图像。
翻转光源位图(Flip Source) 翻转光源位图可以左右翻转或上下翻转，也可以上下左右同时翻转。翻转光源位图应该在考虑光学系统任何效应之前执行。
安全宽度(Guard Band) 该功能通过重复倍增像素数，增加光源位图的像素分辨率。这种倍增只对分析有效，原始位图文件保持不变。这会使原始图像周围产生黑色的"安全宽度"。该功能旨在增加每个视场单位的像素数，同时在所需图像周围增加一个区域。如果点扩散函数与光源位图视场尺寸相比较大，则该功能特别实用。只要任何方向的最大像素数不超过16,000，每次就以2为因子 应用安全宽度，直至达到指定大小。该极值只对安全宽度适用，对输入文件不适用。应该在考虑光学系统的效应之前将安全宽度应用于光源位图。
旋转光源位图(Rotate Source) 旋转光源位图。应该在考虑光学系统的效应之前将旋转应用于光源位图。
波长(Wavelength) 如果选择"RGB"，则三个波长将定义为0.606、0.535和0.465微米，分别对应红、绿、蓝；无论当前波长定义如何，都是如此。如果选择"1+2+3"，则使用波长数据栏中当前定义的波长1、2和3。为波长3使用光源位图的红色通道，为波长2使用绿色通道并为 波长1使用蓝色通道。无论使用该选项定义什么波长，显示的图像都将为RGB格式。对于特定单波长选项（例如6），将对波长4、7、10以及13等使用B（蓝色）通道图像。将针对波长5、8、11以及14等使用G（绿色）通道图像。将针对波长6、9、12以及15等使用R（红色）通道图像。
通常忽略波长权重。生成最终图像的颜色权重仅取决于光源位图的颜色振幅和光学系统的相对透射。例外情况是，在使用单色IMA文件时，所选波长是"1+2+3"，定义了3个波长。只在这种情况下使用波长权重定义相对颜色权重。
视场(Field) 光源位图可以任何已定义的视场位置为中心。生成的图像随后以该视场位置为中心。
网格卷积设置
光瞳采样(Pupil Sampling) 光瞳空间中用于计算PSF网格的网格采样。
像面采样(Image Sampling) 光源位图空间中用于计算PSF网格的网格采样。
PSF X/Y点数(PSF X/Y Points) X/Y方向上用于计算PSF的视场点数。为这些网格点之间的视场点使用内插的PSF值。
使用偏振(Use Polarization) 如果选中，则考虑偏振。进一步了解如何定义偏振态和分析功能如何使用偏振，请参阅"偏振（系统选项）(Polarization (System Explorer))"。
应用固定孔径(Apply Fixed Apertures) 如果选中，在此计算中所有未定义孔径的具有光焦度的表面都将被修改为具有当前净口径或半直径值的环形孔径。如果在孔径定义中不执行这种修改，光线就可通过超出所列净口径或半直径的表面，在视场高度超出视场点定义的视场时更是如此。这将导致误导性照明，这种情况一般出现在图像边缘。
使用相对照度(Use Relative Illumination) 如果选中，则使用"相对照度"中所述的计算加权视场各点的光线，以便正确考虑出瞳弧度和实体角的效应。如果使用该功能，计算通常更准确，但速度较慢。请注意，如果可以通过系统追迹到像面的光线太少，则认为相对照度为零，结果可能是不准确的。用户可以通过使用默认设置的相对照度分析来检查结果是否发生这种情况。如果不勾选，计算将使用主光线确定整体强度。注意，如果无法追迹主光线，当这个选项被选中时，则认为相对照度为零。如果不能追迹主光线，请尝试勾选"使用相对照度"。
像差分析(Aberrations) 若选择"无"，将忽略像差；若选择"几何"，则只考虑光线像差；而且若选择"衍射"，则将使用惠更斯PSF为像差建模。如果选择"衍射"，在像差十分严重，无法准确计算衍射PSF时，该分析可能会自动转换至"几何"。请参阅下面的"详述"。
探测器与显示设置
显示为(Show As) 若选择"仿真图"、"输入位图"，可查看输入位图（包括过采样、安全宽度和旋转的效果），若选择"PSF网格"，可查看在视场中计算的所有PSF函数。请参阅下面的"详述"。
参考(Reference) 选择以下光斑中心的参考坐标：主光线、面顶点或主波长主光线。即使只选择了某个其它波长，后一个选项仍然选择主波长主光线。
压缩框架(Suppress Frame) 如果选中，将不会绘制框架，整个窗口将用于显示图像。
X/Y像素(X/Y Pixels) 用于所探测图像的像素数量。使用0作为默认值，即光源位图中的像素数。
像素大小(Pixel Size) 仿真图的像素大小（方形）。对于有焦系统，单位为镜头单位。对于无焦系统，单位为余弦值。使用0作为默认值，该值根据光学系统放大率针对光源位图的中心像素计算得出。注意：默认值的计算纯粹基于光线；如果视场高度非常小，致使几何图像小于PSF，这将得到小到不合理的像素/探测器。
翻转图像(Flip Image) 可以左右翻转或上下翻转，也可以上下左右同时翻转。
输出文件(Output File) 如果提供以BMP、JPG或PNG扩展名结尾的文件名，则仿真图将保存到指定的文件中，放在<images>文件夹下（参见"文件夹"）。
详述：
图像仿真算法由以下计算图像外观的步骤构成。
- 对光源位图应用过采样、旋转和安全宽度功能（如果已选择这些选项）。
- 计算点扩散函数(PSF)的"网格"。网格覆盖整个视场，描述由位图和视场大小设置共同定义的视场上选定点的像差。此外，PSF网格还包含偏振及相对照度的效应。
- 在修改后的光源位图中，对每个像素内插计算PSF网格。在每个像素位置，用修改后的光源位图卷积计算有效的PSF，以确定有像差的位图图像。
- 随后缩放和拉伸得到的图像位图，体现探测出的图像像素大小、几何畸变和垂轴色像差。
这个算法最重要的环节是计算PSF网格。"PSF X/Y点数"设置可确定在视场各方向计算PSF的方法。使用PSF为像差建模有以下三种不同的方法："衍射"、"几何"和"无"。"衍射"方法是使用惠更斯PSF （有关详细信息，请参阅"惠更斯"）。
惠更斯PSF可为几乎所有光学系统的衍射效应准确建模，但速度比基于点列图积分的几何PSF慢。如果像差严重（对于该功能，阈值是衍射极限的20倍），也无法准确计算惠更斯PSF。图像仿真算法可检测到何时无法计算惠更斯PSF，并可根据需要自动转换至几何PSF。该转换是针对每个视场和波长独立完成的，因此在选择"衍射"的情况下，仍可对视场的一部分有衍射极限，另一部分有严重像差的成像系统准确建模。如果为像差类型选择"无"，则PSF网格是一个delta函数阵列，并且不会考虑除垂轴色差和畸变以外的像差。
在PSF计算中将考虑相对照度和（可选）偏振。在计算的视场点之间平滑内插PSF网格，可在修改过的输入位图中估算每个像素位置的PSF。然后使用光源位图对所得到的PSF进行卷积计算，以生成含有像差的图像。使用的PSF网格点越多，仿真准确度越高，但计算时间也就越长。
如果像面不是平面，则像差和畸变都是根据图像曲面计算的，并且仿真图将投影到XY平面上，这将忽略像面z轴坐标。假设像素在投影面上是方形。
归一化输出图像以使该图像的亮度峰值与输入图像相同，从而决定输出图像的亮度。如果未勾选"使用相对照度"，主光线必须可追迹，才能确立整个图像的相对照度。
仿真图显示为向下观察图像平面的局部负Z轴时所显示的样子。
默认像素大小和图像大小
如果参数"像素大小"设置为0，采用如下方法计算默认值。
- 计算视场空间的像素大小，即（视场高度）/（位图Y方向像素数量）。注意：视场空间像素大小的单位取决于"视场类型"。
- 从视场空间中心像素的右上角和左下角追迹光线并获取光线在图像平面上的坐标。
- 然后根据图像平面的光线坐标，计算图像平面的默认像素大小，如下图所示。
其中xc和yc是设置中视场所定义的视场坐标，∆x和∆y是第1步中计算的像素大小。
图像仿真结果的底部文本中显示的图像大小等于x方向和y方向像素大小与像素数量的乘积。关于x方向和y方向的像素数量，见"X/Y像素"的说明。
使用建议
仿真的准确性最终始终受限于输入图像的分辨率。如果光学系统的分辨率足够高，则光源位图的离散像素特性可能会很明显。仿真图中的阶梯式边缘可证明这一点。过采样功能可减少这些效应，但需要更长的计算时间。
如果视场较大，则PSF通常比单个像素的区域小。很多PSF计算可能会在这种情况下得到一个等效的delta函数，用一个像素表示整个PSF。在此类情况下，忽略像差或至少从衍射计算转换至几何PSF计算，计算速度会大幅提升。
如果放大率或视场小得足以生成一个与PSF大小相当的图像，或者甚至比PSF更小的图像，则可能需要使用安全宽度(Guard Band)功能。原因是PSF卷积是基于光源图像像素完成的。如果PSF比像方空间的输入位图大，由于较大的PSF的影响，卷积会丢失原始位图外的"扩散"。安全宽度功能可在原始图像周围添加黑色区域，其可用于显示PSF产生的扩散。
目前最重要的判断方式是"显示为"设置下的"PSF网格"。最好先看看PSF网格，并确认其是否显示了良好采样的数据，然后再计算仿真图。
有关使用视场角的注解
视场高度可决定光学系统所识别的输入位图的物理尺寸。例如，如果使用一个30 x 30像素的输入位图，并且视场高度是2.0 mm（假设视场是根据物高定义的），则每个像素表示一个66.67微米的区域。如果之后通过40度全视场（使用视场角度）的系统使用相同的输入位图，则可将"视场高度"设置为"40"，覆盖整个视场。每个像素现在表示一个1.33度的方形。使用视场角度定义物体视场的难点是，视场角度单位原本就是变形的。与Y角度为10度时相比，Y角度为80度时，X轴方向的角表示不同的张角。如果是使用视场角度，并且视场相当宽（在任何方向都超过40度），则说明扩展物体的结果时应特别注意。
有关OpticStudio视场角用途的准确定义，请参见"视场角和高度"。
有关使用近轴和实际图像高度的注解
注意：如果视场是由像高定义的，则视场高度将决定像方空间（而非物方空间）中的物体大小。视场高度始终以定义视场所使用的单位为单位，因此在使用像高作为视场类型时，视场高度决定像方空间中的输入位图高度。物方空间中的光源大小则由视场高度除以透镜放大率这一公式决定。
在使用近轴像高时，系统放大率失真（如果有）在仿真图中会被掩盖。在使用实际像高时，所有形式的畸变都会被掩盖。因此，该功能将使用近轴像高定义视场，即使选择实际像高，也是如此。
但是，建议既不使用实际图像高度，也不使用近轴图像高度。而是对有限共轭系统使用物高，对无限共轭系统使用视 场角，因为这些视场类型可明确定义像方空间中的物体大小和方向。
从对象侧生成PSF网格。它类似于视场向导中的网格分布类型。不同之处在于像素编号的最小值为1，中心坐标为分辨率的一半。当计算每个网格点的PSF时，PSF以该网格点的主光线为中心。
生成PSF网格所需的数据如下：
畸变注意事项
图像仿真中的畸变算法在一定程度上取决于对傍轴光线的追迹，在存在中心遮阑的情况下，畸变模型可能产生非物理结果。此外，当物体处于无穷远时，畸变算法会在或非常接近90度的视场角处产生一些非物理伪影，这意味在物方空间无焦。使用几何位图图像分析来交叉检查在存在中心遮阑的情况下是否正确计算了畸变。
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