几何图像分析(Geometric Image Analysis)

几何图像分析功能有很多应用。此功能可用于对扩展光源建模、分析有效分辨率、表示成像对象的外观以及直观呈现图像旋转概念。图像分析还可用于估算多模光纤耦合效率。

注意：图像仿真功能更适合评估高分辨率的拍摄场景。

视场大小(Field Size) 此值定义了视场坐标中方形图像文件的全宽，它可以使用镜头单位或度数，具体取决于当前的视场定义（分别为高度或角度）。注意：在使用"视场角"作为视场类型时，矩形IMA文件本身就是失真的；有关详细信息，请参阅下面的详述。

图像大小(Image Size) 如果将"显示"选作"点列图"，则此值可设置图像上叠加的比例尺的大小。该值不会影响图像实际大小。图像大小是根据物体缩放比例以及系统的放大率和像差设置的。为查看所需图像部分，默认值可能不恰当。

如果将"显示"选作任何其它选项，则此值可设置捕获光线所使用的探测器的大小。落在图像大小以外的光线将被忽略，并且不包含在检测到的总光线数中，以免降低计算得到的光线效率。

图像翻转(Parity) "正"设置将使物体保持在物空间中沿着负Z轴时所呈现的外观。"图像翻转"可设置为"反"，此选项可从上到下反转物体。

旋转(Rotation) 可以设置为任何角（以度为单位）。实际上，此算法会在追迹光线之前旋转物体，例如将条形目标由子午方向切换至弧矢方向。

光线 x 1000(Rays x 1000) 此设置确定了将被追迹的光线的近似值。追迹的光线数量大约是指定数值的1000倍。光线数量为近似值的原因是图像中像素上的光线分布必须均匀。例如，如果图像文件有1500个像素，则将至少追迹1500条光线，即使将数值选为1也是如此。每个波长上的光线分布与波长权重成比例。

显示(Show) 选择表面、等高线、灰阶或伪彩色图作为显示选项。

点列图模式的更多注意事项：与所需最大内存量始终是nx*ny像素的其它模式不同，点列图模式的内存要求随所追迹光线的数量呈线性调整。因此，OpticStudio不会在点列图模式下缓存分析数据。因此，使用点列图模式时GIA设置如有更改，都会完全重新计算GIA数据。

光源(Source) 光源可以是均匀的或朗伯型。均匀设置会为光线均等加权。朗伯设置根据光线与物面的局部法线形成的角度的余弦为光线加权。

使用偏振(Use Polarization) 如果选中，则将考虑偏振。有关如何定义偏振态以及通过分析功能如何使用偏振的信息，请参阅"偏振（系统选项）(Polarization (system explorer))"。

散射光线(Scatter Rays) 如果选中，光线将在统计上散射到已定义散射属性的光线与表面的交点上。请参阅"表面散射设置（Surface scattering settings）"。

波长(Wavelength) 计算中将使用的波长编号。

视场(Field) 图像文件可以任何已定义的视场位置为中心。这使得较小的目标（例如条形图）可移动至视场中的任何位置。结果图像将以此视场位置的主光线坐标为中心。

文件(File) .IMA或.BIM图像文件的名称。此文件必须位于<images>文件夹下（参阅"文件夹(Folders)"）。请参阅"详述"部分，以查看IMA和BIM文件格式的完整说明。

编辑IMA文件(Edit IMA File) 按下此按钮将调用Windows记事本编辑器，它允许对当前选择的IMA文件进行修改。如果文件类型为BIM，则此按钮将被禁用。

表面(Surface) 在其上评估光线的表面编号。默认值为像面。也可选择其他表面，例如，显示某个光学面上的光迹图。

像素#(#Pixels) 选定图像尺寸的宽度的像素数。如果"点列图"是显示图像数据的方法，则不使用此值。

NA 数值孔径(NA)阈值。如果为零，则忽略此功能。如果输入大于0的数，则忽略数值孔径大于指定数的所有光线。

总功率(Total Watts) 光源辐射进入光学系统入瞳的总功率（以瓦特为单位）。使用此通量可根据相对像素值和总效率归一化检测到的功率。

图形缩放(Plot Scale) 对于伪色图和灰阶图，此值可定义最大缩放范围。

使用标注(Use Symbols) 如果选中此选项，将为每个波长绘制不同的非点标注。这可以帮助区分各种波长。仅在"点列图"是显示图像数据的方法时，才使用此值。

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或质心。当使用主波长选项时，即使只选择了某个非主光线波长，系统仍会选择主波长的主光线。

除去渐晕因子(Vignetting Factors) 如果选中，则自动除去渐晕因子。请参考"关于渐晕因子的注解(Comment about vignetting factors)"。

删除渐晕(Delete Vignetted) 如果选中，光线在任何表面产生渐晕效果时均不会被绘制。

使用像素插值(Use Pixel Interpolation) 如果选中，光线能量在相邻像素中心之间的分布会根据光线落点与像素中心的距离而定。对于像素比光斑尺寸小的图像，使用此功能可产生更平滑更准确的结果。如果未选中，则将光线的所有能量仅放到照射到的像素中。如果像素比光斑尺寸大，则不应使用像素插值功能。将"显示"设置为"点列图"时该选项没有作用。

保存为BIM文件(Save As BIM File) 如果提供以BIM扩展名结尾的文件名，并且"显示"未设置为"点列图"，则将输出图像保存到指定文件，并放到<images>文件夹下（参阅"文件夹"）。

详述(Discussion)

OpticStudio支持三种不同的文件格式。其中两种格式以IMA扩展名结尾，一种格式以BIM扩展名结尾

IMA格式(IMA format)

有两种不同的IMA文件格式，一种是文本格式，一种是二进制格式。不管使用哪种文件格式，文件都必须以IMA扩展名结尾。OpticStudio会自动区别这两种类型的文件格式。

文本图像文件是以.IMA扩展名结尾的文本文件。文件顶部是一个表示文件大小的数字（以像素为单位）。剩余各行和各列都包含像素数据，每个像素使用一个字符。所有IMA文件必须是方形，使用n x n像素定义。例如字母"F"的7 x 7表示形式如以下IMA文件所述：

7
0111110
0100000
0100000
0111100
0100000
0100000
0100000

注意：文件以单一条目"7"开头，后面是回车符。然后有7行，每行7列，并且每行以回车符结束。各列均不使用空格或任何其它字符分隔。图像文件必须是方形。OpticStudio会尝试分配足够的内存来保存图像文件，并会在没有足够内存时报告错误。

每个像素的"强度"可以是0到9之间的任何数字。每个像素将生成的光线数量与此值成正比。值为0的像素不能发出任何光线。

二进制IMA文件格式比文本格式更复杂，并且二进制IMA文件不能使用文本编辑器进行编辑。但是，二进制IMA文件更强大。二进制IMA文件中的每个像素均使用无符号字节表示，这意味着强度有256个"灰阶"等级。此外，还可向每个波长分配一个单独的像素图。因此，可以对很现实的照片（如扩展光源）建模。

二进制IMA文件格式需要使用3个16位标头值。第一个16位值是一个有符号整数，必须等于零。第二个16位有符号整数是像素图宽度（以像素为单位），可以是1到8000之间的任何数。第三个16位有符号整数是像素图数量，相当于文件中表示的颜色（或波长）数量。

例如，50x50图像的3色二进制像素图包含6字节的标头（0、50和3），后面是颜色1的2500字节，然后依次是颜色2的2500字节，颜色3的2500字节，总共7506字节。每种颜色的数据存储到每行的各列中（列指数比行指数变化得快）。

BIM格式(IMA format)

IMA格式的缺点是，最多支持256个灰阶等级。BIM格式是二进制双精度浮点文件格式，可有效地使灰阶数量变为数兆。BIM格式包含以下二进制值：

1个32位整数，表示x像素数nx。

1个32位整数，表示y像素数ny。

后面是n*n个64位双精度浮点值，表示相对强度。第一个像素在左下角，剩余像素沿x轴方向按行列出。

目前，nx和ny值必须相同，否则将发出错误消息。

有关使用视场角的注解(Comments on using field angles)

有关图像仿真视场角的注解也适用于此功能。有关完整详述，请参阅"有关使用视场角的注解(Comments on using field angles)"。

有关使用近轴和实际图像高度的注解(Comments on using paraxial and real image height)

有关图像仿真的近轴和实际图像高度的注解也适用于此功能。有关完整详述，请参阅"有关使用近轴和实际图像高度的注解(Comments on using paraxial and real image height)"。

如何选择光线进行分析（How rays are chosen for analysis）

可在像素单元格内的坐标中随机选择每个像素所生成的光线。此外，还可以为每个光线随机选择入瞳坐标。像素和圆形近轴入瞳上的光线分布是一致的（如果使用光线瞄准，则可能会出现一些光瞳畸变）。对于文本IMA文件，每个像素所生成的光线数量等于像素强度乘以波长数量乘以光线密度。可随机选择每条光线使用的与波长权重成正比的波长。对于二进制IMA文件，从每个像素生成的光线数量与光线密度乘以强度系数（相对于256）成正比。

通过按比例分离物体结构，可以在许多应用中使用相同的图像文件。例如，样例图像文件"letterf.ima"包含一个定义大写字母F的7x7像素网格。物体比例可以依次设置为1mm、0.1mm、0.01mm，以便体会在不需要更改IMA文件的情况下，光学系统可以解析多小的F字符。

注意：如果视场是由像高定义的，则视场大小将决定像空间（而非物空间）中的物体大小。视场大小始终以定义视场所使用的单位为单位，因此对于像高，视场大小决定像高。物体大小则是由视场大小除以透镜放大率这一公式决定的。

选择视场位置还可以为像质分析提供极大的灵活性。例如，可以在几个视场点测试字母F图像文件，以便了解视场像差是否会严重影响分辨率。将物体比例设置为字母高度，图像将以选定视场点的主光线交点为中心。

默认情况下，光源是一个均匀的发光体。这里的均匀是指光线均匀发射到入瞳中。产生的所有光线均落在入瞳中，并且所有光线加权均等。由于随机选择的光线波长与波长权重成正比，因此不需要外加波长权重。对于视场小、物距大的系统，通常首选均匀设置。还可以将光源定义为朗伯，按余弦因子对所有光线加权。在确定输入光线权重后，定义的任何光瞳切趾（参阅"切趾类型(Apodization Type)"）将进一步修改输入光线权重。

效率百分数的定义依据为

其中，总和i是已经过删除渐晕处理的所有光线的总和，j总和是已发射的所有光线的总和。如果选中"使用偏振(Use Polarization)"复选框，效率计算将考虑光学系统中的渐晕、光源分布、波长权重以及反射和透射损耗。如果选择"点列图"作为"显示"选项，则效率百分比将包含所有未渐晕光线。其它显示选项将渐晕超出探测器大小范围的光线。因此，如果光线落在探测器区域外，点列图显示与其它显示的效率百分比是不同的。

计算多模光纤的效率(Calculating efficiency of multi-mode fibers)

OpticStudio有一种算法可精确计算耦合进单模光纤的效率，有关详细信息，请参阅"光纤耦合效率(Fiber Coupling Efficiency)"。此外，也可参阅"计算光纤耦合(Computing Fiber Coupling)"。

为估算多模光纤的耦合效率，可以使用几何逼近。将一个圆形孔径置于像面上或是像面前，且有适当的最大径向孔径表示纤芯尺寸。然后将NA（可参考前文）设置为光纤可接受的最大NA。然后可以通过对在指定的NA中通过中心孔径的光线求和来计算百分比效率。纤芯折射率为n_i ，外包层折射率为n_o的典型多模光纤的NA为

文本输出(Text output)

如果在图像分析窗口的菜单栏上选择"文本"选项将生成并显示一个列出光线数据的文本文件。如果将"显示"选项设置为"点列图"则此文件将提供9列数据。第一列是序列模式光线编号。第二列和第三列是x和y视场坐标（度数或物高）。第四列和第五列是归一化光瞳坐标Px和Py。第六列是整数波长编号。第七列是光线权重，具体取决于光源属性。第八列和第九列是相对于参考光线的图像坐标（以镜头单位为单位）。

如果不将"显示"选项设置为"点列图"，则文本显示将列出每个像素的加权光线计数。从-x、-y左下角像素开始向上列出y列像素。使用"Esc"键可终止持续时间过长的图像分析计算。

下一部分：

• 几何位图图像分析(Geometric Bitmap Image Analysis)