第16章-扩展光源

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第 16 章 扩展光源

EXTENDED SOURCES

直到现在我们已经使用的格子光源，只适用于模型化点光源，或光源在无穷

远处 (SOURCE DIRECTION) 或光源在有限距离处 (SOURCE POSITION and SOURCE FOCUS)。这些光源对于仿真“成像系统”非常有用，但是对“照明问题”

则帮助较少。一个典型的照明光源是扩展光源。这个扩展可以被视为一组空间上

非常靠近的点光源，其扩展在有限的面积或者体积发射光线。一个范例是白炽灯

丝之类，使用在闪光灯或汽车车灯。高密度的放电光源（弧光灯）也是扩展光源，

从电浆放电容积发出光来。

所有ASAP 中的扩展光源模型都是以随机来决定其特性的。ASAP 自动的

产生一组随机光线，或在一表面，或在一体积。这组光线是随机分布的放置在指

定的光线表面或体积限制。光线的方向也是随机分布的，虽然限制可能被加入在

统计上的方向分布。

ASAP 的长处之一，就是它有能力产生接近实际的扩展光源模型，伴随着

其强大功能，可以在合理的时间内作统计上大数量的光线追迹。如你将在本章

中看到的，ASAP允许我们将任一个对象object 或实体entity 转换为发光体表

面。这个弹性，依着光线强度分布适当的模拟白炽灯表面的物理，允许我们来制

作一个大型的扩展光源的优秀模型。我们也可以修饰这随机光线的光通量，根据它们的位置及方向。就是这种方法，我们可以改变此基本光源，使它们吻合实验

室量测或光源制造商的特性报告。模型化的详细过程，也称为光线切趾法光束波

形调整apodization，超越本书Primer 的范围，但是进阶的光源模型化技术在本

章末有简要的描述。这些方法将在ASAP 技术导引“More About Source”中详细讨

论。

发光的圆盘及长方形 Emitting Disk and Rectangle

你可以发现本章中所讨论的光源存在于Builder 选项Rays＞Emitters 。两种

圆盘 (Disk) 和长方形 (Rectangle) 选择，都产生一组随机的光线，分布在想象

平面的表面（见图16.1）。这个“随机”是关键要素，在所有ASAP 的发光体（见http://www.21-lamp.com 21世纪车灯网

在346 页补充附录，“随机随机数产生器”）。这发光圆盘 (EMITTING DISK) 及

发光长方形 (EMITTING RENTANGLE) 命令的不同，只在于平面的外缘轮廓形

状。这些命令可能是适当的光源来模拟一个平面、热的、发光金属，例如灯丝带

或在发光二极管晶元的表面。真实由Builder 产生的ASAP 命令，产生发光圆盘

及发光长方形，可以显示在下面的参考程序。

见第16 章附录，在第347 页的“程序16-1”。

图16.1ASAP 发光圆盘(EMITTING DISK) 及发光长方形 (EMTTING RECTANGLE) 产生一组随机光线，其光线产生于以椭圆为边界之平面（上图）及以长方形为边界之平面（下图）。包含光线的位置及方向，都是在特定的限制下，随机产生。椭圆形及长方形边缘增加到这些显示图，来帮助清晰了解这两种光源的限制。并没有真实的ASAP 几何形状，被这些命令产生。 一个发光圆盘的范例，显示在图16.2。 http://www.21-lamp.com 21世纪车灯网

图16.2ASAP 发光圆盘(EMITTING DISK) 命令，在椭圆面上产生一组随机光线。这个范例，在两个坐标轴设定圆锥角皆为30 度，所以没有产生光线，其方向超过30 度的限制。 显示在图16.2 之Builder 列，是由Rays＞Emitters＞Disk 产生。Builder列

的第一个参数是发光体的轴Axis。

你的选择是限制在：当你在这格子按两下时，所产生的下拉式信息框中所列

的选项。坐标轴定义了这个平面，光线最初在该平面产生。虽然，你可以如第十

五章所描述的旋转光源，来获得其它的方向，该平面光源必须与全域坐标轴之一

垂直。你可以选取正方向或负方向为坐标轴的方向。因为我们模拟一个表面发光

体，这光线方向最多充满一个半球。沿着我们所选之坐标轴决定这个半球的光线

是在正或负的方向。在我们之例中，光线被产生在＋z方向。 http://www.21-lamp.com 21世纪车灯网

三个信息格子，Location, Semiwidth X 和Semiwidth Y 决定了发光体圆盘面

的位置与大小。如果你定义一个以表面为基础的平面，虽然没有真实的曲面被产

生，但是意义是相同的。我们只是正在产生一个虚拟的表面，光线分布在此表面。

待会儿，我们将讨论如何使ASAP 对象转变为发光表面（见第340 页的“发光对

象”）。

在下一个所需要的参数是Ray Count ，它是这个发光体所产生的随机光线的

总数。

在下两个信息格子，Cone Angle X 和Cone Angle Y 允许你去限制锥角，在

锥角内光线直接发出。

这数字代表半圆锥角的角度，度量从法线到圆锥面的角度。在这例中，我们

设定X 轴与Y 轴的锥角都是30 度，如果光线正耦合进入在一段距离远处的圆

形、或椭圆形透镜或、反射镜我们可以选择以这种方式来限制圆锥角，在一段距

离远处（见第331 页图16.3 的上部）。产生及追迹光线，却没有机会进入光学

系统的光线是没有意义的。ASAP内订的圆锥角是90 度，产生的光线发射进入

整个向前的一个半球。

在下一个信息格，锥的种类Cone Type，是可选择的。ASAP内订的是圆形

圆锥，已经在上面讨论。然而，如果你在这格子键入Rect，其结果将会是一个直

角锥（类似金字塔）。当你光学系统进入的孔径是方形或直角形，这种直角锥将

会是合适的，如显示在第331 页图16.3 的下部。 http://www.21-lamp.com 21世纪车灯网

图16.3这例子产生Lambertian 朗伯分布的随机光线。由预设内订，ASAP EMITTING DISK 或RECTANGLE 命令所产生的一组光线，该光线充满一个完整的半球。如果圆锥角是指定的，它可能产生光线只充满一个圆形孔径（上图）或方形孔径（下图）。如果你事先知道其它光线不会进入你的系统，不会影响你模型的行为，则这个锥角的指定会是恰当的。椭圆形孔径是内订的。要获得方形孔径，你必须在Cone Type 格子键入Rect 。 这个命令的最后一个选项格子是Emit Type 字段。由于ASAP 的内订，所

有的表面发光体都具有Lambertian 朗伯强度分布。另外的替代选择是均匀的isotropic 分布，可以在这格子按鼠标左键两下来获得一个选项框，在此选项框中

选择Iso。在这两种光强度分布的不同，将是下一章讨论之主题。 注︰不像格子

光源需要两行Builder 显示列来定义光源，一列Builder显示列用来定义光源之

种类，另一列用来完成光源之方向定义；扩展光源只需要一行Builder 显示列来http://www.21-lamp.com 21世纪车灯网

定义光源。在这案例中，你所选择之发光体形态及参数使光线的位置及方向受到

限制。随机数产生器替我们做其它剩下的工作，结果所有的信息都包含在这一列

中。 朗伯光强度分布与均向性光强度分布 Lambertian and Isotropic Intensity Distributions

一个Lambertian朗伯发光体遵守Lambert的余弦定律︰离开发光体表面的光

功率将下降，类似与发光体表面垂直角度的余弦分布能量。因为没有真正发光体

表面是Lambertian 朗伯的分布，所以白炽灯的金属发光分布，或其它光学的高

密度材料，其显示自表面发光而非从体积发光者，经常是非常好的Lamberian 近

似。

有数种方法可以产生光线来模拟Lambertian 朗伯表面。ASAP 可以产生一

组随机的光线，具有在半球内任何方向指向相同的机率。这个程序可以根据Lambert 的余弦定律来修饰每一条光线的光通量。另一种方法，ASAP可以产生

完全相同光通量的光线，但是，当与法线的角度逐渐增加时产生较少的光线。

这两种状况分别显示在图16.4a 及16.4b。然而，当我们产生足够大数量的光线

时，这两种方法所产生的结果大约是类似的。ASAP使用第二种方法。因为第一

种方法耗费相同的时间来做很大光通量与几乎没有光通量的光线追迹。第二种方

法大量光线在追迹时通常较具有效率。 http://www.21-lamp.com 21世纪车灯网

图16.4aLambertian 朗伯光通量分布可使用光线以两种方法来模拟。可以产生光线具有在任一方向相同机率，然后，这些光线被调整成具有对cosθ函数的相依关系。这个图是由PLOT RAYS 命令产生，所以光线的长度与光通量成比例，称作“光通量加权”。 图16.4b所有的光线具有相同的光通量，但是光线密度是根据该光线与发射表面垂直的角度而调整。ASAP使用这种方法在它的表面发光体。 http://www.21-lamp.com 21世纪车灯网

均向性的光源具有与角度无关的光功率分布。最简单的方法来模拟如此的光

源，是产生一组光线具有完全随机的位置及方向，且每一条光线具有相同的光通量。这正是ASAP 模型化体积发光体所使用的方法（见“发光球体”）。这与Iso 选

项对表面发光体如发光圆盘或长方形所做的不同。ASAP 产生如上述的光线具有Lambertian 朗伯光线密度，并调整个别向上光线的光通量与法线夹角的余弦成

反比。

发光球体 Emitting Spheroid 另外一种的扩展光源是体积发光体。取代随机分布在一表面体积发光体是随

机分布在一体积。光线的方向也是完全地随机－－光线在每一方向的指向具有相

同的机率。所有光线的光通量都是完全相同，造成一个均向性的强度分布。最简

单的这种光线通量是发光球体，可以从Builder 选项列中Rays＞Emitters＞Spheroid 寻得，其命令列的结果如图16.5 所示。