soltrace教程（3）基本方法

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    在Soltrace中，光學系統被展現在全局座標系的舞台上。這個舞台被不嚴格的定義為光學幾何結構的一部分，其中一旦有光線在舞台上退出，將不會重新進入系統中其他光線的路徑。一個完整的系統幾何可能由一個或多個舞台組成。這是使用者的責任區定義相應的舞台幾何結構。舞台概念背後的目的是採用有效跟蹤以便節省處理時間和允許使用模組代表系統。舞台的另一個重要的優勢是它們可以儲存和使用其他系統幾何機構而不用重新計算元素的位置和方向。分割通過舞台的幾何形狀，在為特殊的幾何結構分配不同座標系時可能是很有用的，並且可以更簡單的調整位置。

    一個舞台是由元素組成。每個元素包括一個表面，一個光學相互作用類型，一個光圈的形狀，並且如果合適，還包括一組光學屬性。舞台的位置和方向在全局座標系中定義，在特定舞台的全局座標系中的元素的位置和方向被定義定義為特殊的。舞台可以是兩種類型的：光學或虛擬。光學舞台被定義為一個射線的物理地相互作用（An optical stage is defined as one that physically interacts with the rays）。相反，一個虛擬舞台被定義為射線不需要物理地相互作用（a virtual stage is defined as one that does not physically interact with the rays）。虛擬舞台在確定的光線在位置和方向，和在不同位置沿著光路徑不受物理光線軌跡影響的入射功率或者磁通上非常有用。因此在虛擬舞台上定義的元素沒有光學特性，因為它們沒有光線相互影響。光學舞台由可能因為相互作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作用類型。除此之外，光學和虛擬舞台在定義和使用上是相同的。舞台可以作為一組元素複製和移動，並且使用其他幾何系儲存。目前，在單個舞台中混合使用虛擬和光學元素還是不可能的。

    Soltrace使用三種右手座標系：全局座標系，舞台座標系，元素座標系。這些座標系都在圖1中展示。在舞台中的每個元素都有局部座標系（如位置和方向）。每個舞台都定義一個相對於的全局座標系的座標系。As shall be described later，太陽的方向與全局座標系相關。目前，太陽方向義向量形式輸入，或者使用time-of-day, day-of-year和指定緯度的格式。光線從太陽中產生並且在幾何結構中通過每個舞台依次追蹤。在每個舞台中的每個射線的位置和方向儲存在記憶體中為之後計算和輸出。

圖1 廣義版本的Soltrace座標系

    NREL  High Flux Solar Furnace展示了一個複雜的多舞台多元素系統例子在圖2。注意全局座標系（黑），舞台座標系（紅），元素座標系（藍）。在這個樣本中，總共有三個座標系注意全局座標系在第二個舞台中央。此安排是由於系統主要的聚光器在第二個舞台。第一個舞台由一個平面反射元素（日光反射裝置）組成。在這種情況下，舞台座標系是日光反射裝置旋轉中心和元素座標系稍微位移舞台座標系是因為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）。這個舞台的目標點是設定一個預設的太陽高度和方位角根據指定緯度，day of year和小時。第二個舞台主要是由25個六角反射元件組成，每個元件具有球面曲率。這個舞台在全局座標系的上面。25個獨立的元件之一的座標系在舞台座標系的右上方。25個元件中每個元件被標記以便中央反射射線能夠在第三舞台中影響相同的位置。第三舞台和最後舞台是一個簡單舞台（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，元素座標系佔據著相同位置和方向作為舞台座標系，並標記回到主要聚光器中間。元素/舞台的細節在稍後定義。

圖2 顯示應用在High Flux Solar Furnace geometry上的舞台座標系

    全局座標系和舞台座標系分別轉化為舞台座標系和元素座標系，並且通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。之後父座標系轉化為子座標系，三次旋轉完全指定了子座標系的方向。最早的兩次旋轉通過在父座標系中特定的點自動確定，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確定的。最早兩次的旋轉基於座標的定義，最後一次旋轉通過使用者輸入參數。除了指向定義和Z軸旋轉，所有的座標系旋轉計算通過Soltrace處理。

soltrace教程（3）基本方法