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引言

在非序列模式下工作时，构建照明系统精确仿真的第一步通常是对光源进行正确建模。OpticStudio 提供了多种生成精确光源模型的方法。本文讨论了如何在非序列模式下，使用径向光源（Source Radial），以及通过在其他光源物体周围构建复杂几何体，来对 LED 或其他复杂光源进行建模。

在许多光学系统中，表面对散射的建模非常重要，对于杂散光分析更是至关重要。对表面散射进行精确建模可能需要大量光线，这可能会大幅增加计算时间。因此，通常有必要通过使用“散射到”（Scatter To）或“重要性采样”（Importance Sampling）来缩小分析范围。这两种方法都能提高散射效率，同时保持足够的灵活性，以涵盖几乎任何散射轮廓。

本文将讨论“重要性采样”，该功能位于物体属性对话框中的“散射到”（Scatter To）选项卡中。

如何使用重要性采样提高散射效率

重要性采样与“散射到”（Scatter To）有本质区别。“散射到”列表只追迹那些与目标物体发生相互作用的散射光线。（这并不能保证散射光线一定会击中该物体）。相反，如果某个物体被列在重要性采样列表中，OpticStudio 将始终把光线散射朝向以该物体为中心的目标球体。

为了兼顾散射轮廓，OpticStudio 会对这些光线的功率进行加权，从而使该物体处所接收到的通量符合实际情况；信噪比因此得以提高。目标球体的大小及其可能张成的最大立体角由用户指定。

在下面的系统中，一个朗伯表面将入射光散射到半球空间。即使每条入射光线产生 10 条散射光线，也只有很少的光线能够到达这个小探测器。

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然而，当启用重要性采样后，大量光线会击中探测器。

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使用重要性采样时，有几点需要重点理解。首先，散射光线的目标并不是物体本身，而是一个以该物体局部原点为中心、具有给定半径的球体。因此，目标球体应设置得比物体稍大一些，以确保散射光线能够充分覆盖目标物体。

目标球体上的限制参数（limit parameter）是为了确保散射表面的 BSDF 在目标球体所张成的立体角范围内不会变化太大。这是必要的，因为 OpticStudio 对散射光线分配功率的方式有其特殊性。如前所述，光线的方向与 BSDF 无关，因此必须对通量进行适当加权。每条瞄准特定物体的重要性采样光线都包含相同的通量。

OpticStudio 会在目标立体角范围内取 BSDF 的平均值，并据此为每条光线分配通量。下面的散射函数图显示了特定范围内的散射矢量大小（红色竖条），以及 OpticStudio 对重要性采样光线所选取的 BSDF 近似值（红色横条）。

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ESF 与调制传递函数（MTF）直接相关，其间通过线扩散函数（LSF）相联系，LSF 对应于 ESF 的一阶导数。

如果 BSDF 在目标球体所张成的立体角范围内变化显著，那么由重要性采样光线在目标球体处所得到的通量将不准确。

为了了解重要性采样如何提高散射效率并缩短分析时间，我们对普通散射和重要性采样进行了比较。下图显示了在一个具有 1E5 条分析光线、且目标物体从散射点处张成约 0.2 sr 的系统中，击中探测器的光线数量。

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使用重要性采样时，在相同时间内击中目标物体的光线数量，是仅用一条散射光线时的好几倍。接下来，我们将看一个使用重要性采样进行杂散光分析的示例。

对望远镜中的散射光进行建模

天文望远镜是进行杂散光分析最著名的光学系统之一。原因在于，所需信号（来自地外天体的光源）往往非常微弱，因此任何以杂散光形式出现的噪声都非常有害。

在本示例中，我们将测量从望远镜镜筒内侧散射、最终到达探测器的杂散光量。我们将看到，通过使用重要性采样，可以增加击中探测器的光线数量，从而更准确地测量到达探测器的杂散光。请打开本文所附的 “IS.zmx” 文件。

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该文件建模了一台马克苏托夫望远镜，并带有一个离轴光源，用以代表系统中的主要噪声源。光线进入望远镜后，会从镜筒表面发生反射/散射。注意：光学表面也会产生一定的散射，但出于本分析的目的，我们只关注镜筒的贡献。我们将望远镜镜筒建模为朗伯散射轮廓，且 100% 的光线都会发生散射（假设镜筒经过机械加工以抑制镜面反射）。如果我们执行光线追迹，探测器查看器会报告以下统计结果。

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探测器显示，大约 4% 的代表光源光线（对应 0.6% 的能量）实际到达了探测器。为了准确测量散射光在探测器上的功率，我们希望尽可能多的光线击中探测器。这正是重要性采样发挥作用的地方。

我们将对位于第二校正透镜处的一个目标球体进行重要性采样；我们不能使用探测器，因为它不直接从任何散射点接收光线。注意：尺寸参数（size parameter）定义的是目标球体的半径。这里有意将其设置得略大于主镜孔径，以确保所有击中探测器的光线都被包含在内。我们将张成立体角限制保留为默认值。在“散射到”（Scatter To）选项卡中按图示输入数据。

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执行光线追迹后，我们得到以下探测器统计结果。

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使用重要性采样后，我们不仅使击中探测器的光线数量增加了一倍以上，还能看到散射强度中更多的结构细节。

既然我们已经测量了到达探测器的功率，就可以判断是否需要采取进一步措施来抑制杂散光。如果信噪比仍然足够高，能够满足我们的用途，我们或许可以决定避免在望远镜中安装遮光罩所需的时间和成本。如果确定需要进一步抑制噪声以满足系统规格，则可能需要加装遮光罩。

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