soltrace教程（3）基本方法

    在Soltrace中，光學系統被展示在世界座標系的舞臺上。這個舞臺被不嚴格的定義爲光學幾何結構的一部分，其中一旦有光線在舞臺上退出，將不會從新進入系統中其餘光線的路徑。一個完整的系統幾何可能由一個或多個舞臺組成。這是用戶的責任區定義相應的舞臺幾何結構。舞臺概念背後的目的是採用有效的跟蹤以便節省處理時間和容許使用模塊表明系統。舞臺的另外一個重要的優點是它們能夠保存和使用其餘系統幾何機構而不用從新計算元素的位置和方向。分割經過舞臺的幾何形狀，在爲特殊的幾何結構分配不一樣座標系時多是頗有用的，而且能夠更簡單的調整位置。

    一個舞臺是由元素組成。每一個元素包括一個表面，一個光學相互做用類型，一個光圈的形狀，而且若是合適，還包括一組光學屬性。舞臺的位置和方向在世界座標系中定義，在特定舞臺的世界座標系中的元素的位置和方向被定義定義爲特殊的。舞臺能夠是兩種類型的：光學或虛擬。光學舞臺被定義爲一個射線的物理地相互做用（An optical stage is defined as one that physically interacts with the rays）。相反，一個虛擬舞臺被定義爲射線不須要物理地相互做用（a virtual stage is defined as one that does not physically interact with the rays）。虛擬舞臺在肯定的光線在位置和方向，和在不一樣位置沿着光路徑不受物理光線軌跡影響的入射功率或者磁通上很是有用。所以在虛擬舞臺上定義的元素沒有光學特性，由於它們沒有光線相互影響。光學舞臺由可能由於相互做用而改變光線軌跡的元素組成。這些元素有與它們相關的光學特性和相互做用類型。除此以外，光學和虛擬舞臺在定義和使用上是相同的。舞臺能夠做爲一組元素複製和移動，而且使用其餘幾何系保存。目前，在單個舞臺中混合使用虛擬和光學元素仍是不可能的。

    Soltrace使用三種右手座標系：世界座標系，舞臺座標系，元素座標系。這些座標系都在圖1中展現。在舞臺中的每一個元素都有局部座標系（如位置和方向）。每一個舞臺都定義一個相對於的世界座標系的座標系。As shall be described later，太陽的方向與世界座標系相關。目前，太陽方向義矢量形式輸入，或者使用time-of-day, day-of-year和指定緯度的格式。光線從太陽中產生而且在幾何結構中經過每一個舞臺依次追蹤。在每一個舞臺中的每一個射線的位置和方向存儲在內存中爲以後計算和輸出。

圖1 廣義版本的Soltrace座標系

    NREL  High Flux Solar Furnace展現了一個複雜的多舞臺多元素系統例子在圖2。注意世界座標系（黑），舞臺座標系（紅），元素座標系（藍）。在這個示例中，總共有三個座標系注意世界座標系在第二個舞臺中央。此安排是因爲系統主要的聚光器在第二個舞臺。第一個舞臺由一個平面反射元素（日光反射裝置）組成。在這種狀況下，舞臺座標系是日光反射裝置旋轉中心和元素座標系稍微偏移舞臺座標系是由於從驅動反射鏡表面的物理距離（the stage coordinate system is the center of rotation of the heliostat and the element coordinate system lies slightly offset from the stage coordinate system to account for the physical distance of the mirror surface from the drive）。這個舞臺的目標點是設置一個默認的太陽高度和方位角根據指定緯度，day of year和小時。第二個舞臺主要是由25個六角反射元件組成，每一個元件具備球面曲率。這個舞臺在世界座標系的上面。25個獨立的元件之一的座標系在舞臺座標系的右上角。25個元件中每一個元件被標記以便中央反射射線可以在第三舞臺中影響相同的位置。第三舞臺和最後舞臺是一個簡單舞臺（矩形平面目標）位於HFSF建築的實驗灣（The third and final stage is the sample stage (a rectangular flat target) located in the experiment bay of the HFSF building）。再次，元素座標系佔據着相同位置和方向做爲舞臺座標系，並標記回到主要聚光器中間。元素/舞臺的細節在稍後定義。

圖2 顯示應用在High Flux Solar Furnace geometry上的舞臺座標系

    世界座標系和舞臺座標系分別轉化爲舞臺座標系和元素座標系，而且經過三次歐拉角旋轉定向。這些旋轉在圖3中顯示。

圖3

    第一輪旋轉由角α繞Y軸，第二輪旋轉由β繞新的X軸，最後的旋轉由角γ繞新的Z軸。以後父座標系轉化爲子座標系，三次旋轉徹底指定了子座標系的方向。最先的兩次旋轉經過在父座標系中特定的點自動肯定，這個點朝向與子座標系的Z軸對齊。子座標系最後一次旋轉是肯定的。最先兩次的旋轉基於座標的定義，最後一次旋轉經過用戶輸入參數。除了指向定義和Z軸旋轉，全部的座標系旋轉計算經過Soltrace處理。