简介
感兴趣的散射方向区域是有效散射计算的主要部分。它们可以将散射光只引导到感兴趣的区域。在生成散射光时，FRED会评估散射方向所涉及区域的立体角，并对辐亮度进行处理，从而基于BSDF散射模型计算出正确的通量。本文提供了一个分步过程来定位和确定最大效率的散射方向和感兴趣区域的大小。
图一。光学面上散射方向有感兴趣区域的库克三片式透镜的光线追迹。
方向感兴趣的区域在每个表面对话框的散点选项卡上指定，如图2所示。可以将多个散射方向上的感兴趣区域分配给任何给定的表面。但是，应该注意不要将多个散射方向上的重叠感兴趣区域分配给表面，因为FRED不会识别这种重叠，因此散射通量会被高估。
图二。指定散射方向上感兴趣区域的表面散射标签
创建所有曲面后，它们会被指定默认的散射方向。默认值的类型是分散到给定方向，如图3所示，其围绕给定方向朝向给定半角分散成锥形。方向向量可以在任何坐标系中指定。请参阅FRED的帮助主题——重要性采样，以获得分散方向上的关注领域的完整列表。
图3。默认键采样
根据发生散射的光学空间，一般有两种情况需要关注。首先，考虑准直空间的情况，该准直空间包括一个外部平窗口以及无焦光学系统和重新成像光学系统之间的中间空间。在这个空间中，探测器表面的尺寸和位置由其尺寸和系统视场(FOV)决定。因此，准直空间中最有效的散射方向是关注的区域类型，这是默认的散射到给定的方向，同时设置适当的角度。
图4。闭合曲线散射方向上的感兴趣区域
接下来，考虑光学系统中光束会聚或发散的区域。在这些空间中，散射方向上的感兴趣区域可以被认为是从给定表面看到的检测器的表观位置和大小。因此，最有效的散射方向集中在通过闭合曲线散射的区域类型上，如图4所示。本文概述的步骤旨在确定该闭合曲线的大小和位置。
关于图3和4中对话框上的其他数据，反向射线方向和散射射线数量的选项与此讨论相关。反转光的方向导致散射光在散射方向上被引导远离感兴趣的区域。当探测器的视在位置是虚拟的时，该选项是必要的。“散射光线数”选项可以设置每条入射光线的散射光线数。该值决定了散射光在散射方向上对感兴趣区域进行采样的程度。对于相对较小的立体角，默认值10就足够了。但是，当检测器的外观形状严重失真时，有必要增加该值。
在敛散空间中寻找散射方向的关心区域。
下面阐述的八个步骤定义了在成像系统中沿散射方向寻找感兴趣区域的系统方法。这些步骤可以使用FRED的脚本语言自动完成。
1)在目标表面的中心创建发射光源。光源应该是一个详细的来源，位置类型是随机平面，方向类型是随机方向进入一个角度范围，如图5所示。通过将光源的起始坐标系设置为目标表面的起始坐标系，可以容易地定位光源。[注意：根据目标曲面的局部坐标系的方向，可能需要将光线方向下的ZDir分量设置为-1。]给光源一个接近零的尺寸(红色箭头1)和足够的角展度(红色箭头2 ),以从检测器上的任何位置填充系统F锥体。虽然光会被浪费掉，但是没关系。
图5。灯光位置和方向的详细光源设置(参见步骤1)
2)使用如图6所示的高级光线追踪对话框追踪光源到相关组件。这应该通过显式指定起始/终止曲面来完成，如红色箭头3所示。选择不执行传输/反射操作选项，如红色箭头4所示。若要防止其他曲面的外部散射干扰计算，请选择“抑制光线散射”选项，如红色箭头5所示。也可以禁用光线跟踪摘要，以限制输出窗口打印给FRED。
[注意：高级光线跟踪对话框是无模式的。在步骤4中，您应该保持应用/跟踪按钮处于打开状态。“确定”按钮将关闭对话框，以便您可以在后续操作中重置这些选项。
图6。步骤2中重要采样确定的高级光线跟踪设置
3)执行此跟踪后，打开最佳几何焦点对话框，如图7所示。最佳几何焦点必须只考虑相关元素上的光线，因此光线选择标准(红色箭头6)应该指示相同的表面，如图6所示(红色箭头3)。为了一致起见，建议在全局坐标系中进行此计算(红色箭头7)。
图7。最佳焦点对话框
最佳聚焦位置打印在FRED的输出窗口中，如图8所示(红色箭头8)。这是集中采样区域的位置。如果该位置和检测器的实际位置在表面的同一侧，则感兴趣的重要采样区域是真实图像。如果散射面位于最佳聚焦位置和探测器之间，那么重要的感兴趣采样区域就是虚像。在后一种情况下，必须选中反向光线方向选项。注意步骤5中使用的标准化平均光线方向(红色箭头9)。
图8。最佳聚焦计算的输出
4)返回到发射光源对话框(图9 ),将随机平面XY尺寸(红色箭头10)设置为探测器的尺寸。使用与步骤2中相同的设置，使用“高级光线跟踪”对话框再次跟踪光源。
图9:随机平面尺寸
5)打开光线追踪菜单上的光线操纵工具(图10)，并选择传播到(红色箭头11)。如果我们参考图8(红色箭头9)，平均光线方向将指示哪个下拉选项被选中。如果向量为[1，0，0]，则为x坐标轴；如果向量为[0，1，0]，则为Y坐标轴；如果向量为[0，0，1]，则为z坐标轴。输入步骤3中确定的相应X、Y或Z最佳聚焦值(红色箭头8)。底部的灯光规格(红色箭头13)必须设置为与图7中的最佳聚焦对话框(红色箭头6)相同，以确保仅移动相关元素上的灯光。
图10。将光线移动到最佳焦点的工具
6)使用光线统计(Shift F12)打印“移动”光线的最小/最大X、Y和Z值，如图11所示。这些值决定了焦点样本的大小。请注意，“移动灯”属于“系统”(红色箭头14)。这些最小/最大值定义了代表检测器外观尺寸的矩形尺寸(大多数情况下)。这个矩形可以用分段曲线来封闭。
图11。“移动”光线的光线统计输出
最佳焦点计算的平均光线方向(红色箭头9)定义了垂直于闭合曲线的向量。在大多数情况下，平均光线方向是系统的光轴。当光轴沿Z [X或Y]时，XY [YZ或XZ]的最小/最大值为闭合曲线尺寸。使用步骤7a在散射方向创建一个感兴趣的区域。如果平均射线方向矢量偏向主轴，使用步骤7b在散射方向创建一个感兴趣的区域。
7)创建您的焦点采样区域(从两种方法中选择一种)
A.使用步骤6中确定的尺寸创建自定义元件并添加分段曲线。为曲线命名以便于识别。将该曲线移动到步骤3中确定的位置。
图12。来自分段曲线的散射方向：感兴趣区域
图13。将曲线移动到Z位置
在scattering surface的scattering选项卡上，将散射方向上感兴趣的区域类型设置为scatter to a closed curve，并指定该曲线，如图14所示。
图14。感兴趣的闭合曲线区域的散射方向
B.在scattering surface的Scatter选项卡上，将重要的感兴趣采样区域设置为向椭球体散射，如图15所示。为步骤3和7中的每个值设置椭球的位置和大小。
图15。散射方向上的感兴趣区域(使用椭球体)
8)使用FRED工具菜单上的分析散射重要性采样功能(图16)测试散射方向上的感兴趣区域。该函数在指定表面上创建射线，并通过确定到达“检测器”表面的射线数量来测量效率。“材质”选项必须设置为指示灯光最初散射到哪些材质。图16显示了Cooke三件式透镜的设置。注意，每个透镜的第一面具有选定的透镜材料。该特性的输出如图17所示。注意，离探测器越远，效率越低。这个结果是由放置在这些中间光学空间中的光阑及其像差的组合产生的。
图16。分析散射键采样对话框
图17。散射键采样工具的输出结果分析
注意：用户可以自由使用FRED的内置函数来确定散射重要性采样，该函数位于Tools菜单上，可用于确定散射方向和感兴趣区域。然而，本文概述的过程是首选，因为散射键采样的确定可能导致潜在的误差，这可能由于缺乏对探测器发射角(90)的限制而导致统计误差，尤其是在光学设备的接收角较小时。
用于确定散射方向感兴趣区域的脚本
本节包含关于本文中包含的脚本FindImpSamp.frs的支持信息。该脚本执行前面的步骤1-6。用户必须手动创建和测试所生成的感兴趣的散射方向区域。分别在第53行和第54行找到光线数(10k)和发射半角(15)的默认值。应该将这些值更改为最适合脚本的系统。
执行时，该脚本会生成一个对话框，允许用户从列表中选择散射和探测器表面，如图18所示。如果光源不存在，脚本会在检测器上创建它。用作散射方向关注区域的分段曲线的大小、方向和位置将打印到输出窗口(图19)。
图18
图19
