摘要
本文以一套典型的照明光学系统为案例，完整演示Ansys Optics（OpticStudio）非顺序模式下的建模流程。案例从抛物面反射器与灯丝光源的搭建起步，依次引入平面凸透镜、矩形亚克力光管以及多个矩形探测器，逐步完成光束整形与匀光验证。过程中涉及非顺序光线追踪机制、系统基本属性设置、对象参数配置、相对对象定位、Pickup Solve 联动以及探测器查看器的结果分析等关键环节，最终在出射面获得接近均匀的辐照度分布。
本文适合已经接触顺序模式、但尚未系统使用非顺序模式的设计人员，可作为照明系统、杂散光分析类项目的入门参考。
一、非顺序模式与顺序模式的本质差异
OpticStudio 提供两种截然不同的光线追踪模式。顺序模式面向成像系统设计，光线沿着由用户严格定义的表面与物体顺序依次传播；非顺序模式则面向照明系统设计与杂散光分析，其核心特征在于光线路径不再由用户显式指定顺序。
在非顺序模式下，射线沿着实际命中物体与表面的物理顺序行进，这一顺序可能与对象在编辑器中的排列顺序或表面的定义顺序完全不同。同一束射线可以反复命中同一个物体，同时完全绕过其他物体；射线在遇到界面时能够分裂为反射、折射或散射的子射线，并且多条子射线可以被同时追踪。正是这种自由度，使非顺序模式能够处理顺序模式根本无法实现的物理过程。
非顺序模式下的主要分析工具是探测器查看器（Detector Viewer）。它以相干或非相干辐照度、辐射强度等多种数据形式，呈现探测器面上的空间分布与角度分布。除直接查看图像外，追踪结果还可以保存为 ZRD 文件，并借助光线数据库查看器（Light Database Viewer）或路径分析工具（Analysis → Paths）做进一步的统计与逐条光线排查。
二、案例目标与系统构成
本案例构建的系统由四个功能部件串联组成：抛物面反射器、灯丝光源、平面凸透镜与矩形光管。光源置于抛物面反射器的焦点处，经反射后形成近似平行光，随后由凸透镜聚焦，最后进入光管完成匀光。
2.1 系统总体布局
图 1 系统总体布局：灯丝光源与抛物面反射器、平面凸透镜、矩形光管
在该系统中，照明质量的核心评价指标是光管出光面的辐照度均匀性。图 2 给出了完成全部建模后，探测器上得到的最终辐照度分布。可以看到，光管的有效作用使得原本高度集中的热点被显著打散，出光面辐照度趋于均匀。
图 2 完成全部建模后的最终辐照度分布
三、切换至非顺序模式并设置系统属性
启动 OpticStudio 后，通过「设置」菜单下的「工作模式」选项，将工作模式切换为非顺序。切换完成后，编辑窗口标题栏显示为非顺序组件编辑器（Non-Sequential Component Editor，NSCE）；若仍显示镜头数据编辑器，说明当前仍处于顺序或混合模式。
3.1 切换后的编辑器形态
图 3 非顺序组件编辑器（NSCE）界面
NSCE 的表格结构与顺序模式的镜头数据编辑器有本质区别：首列固定为 Object Type（对象类型），其余列为 Comment、Ref Object、Inside Of、X/Y/Z Position、Tilt About X/Y/Z 以及 Material 等非顺序专用参数。
3.2 波长设置
在「系统探索器 → 波长」中设置系统波长与波长权重。本案例设置为 0.587 微米，为可见光绿光波段中心附近。波长设置直接决定探测器查看器输出的辐照度量纲与数值量级，需在建模初期与实际应用条件保持一致。
图 4 系统波长与权重设置
3.3 单位设置
在「系统探索器 → 单位」中指定系统的度量与辐照度类型。除放射度量单位（如 W/cm²）外，也可选择光度单位（如 lm/cm²）或能量单位（如 J/cm²）。本案例选用默认的放射度量单位。
图 5 系统单位与辐照度类型设置
四、创建抛物面反射器
在编辑器中插入若干空白行，为后续对象预留位置。第一步是将对象 1 的对象类型设置为 Parabolic Reflector（抛物面反射体），并勾选 Standard Surface（标准表面）。
图 6 在 NSCE 中插入空白对象行
在对象 1 的属性窗口中完成参数录入。抛物面的准直特性由 Radius 与 Conic 共同定义：Conic 取 −1.000 表示抛物面，Radius 与 Maximum Aperture 则分别控制曲率半径与最大半口径。
图 7 对象 1 属性窗口：选择抛物面反射体与标准表面
图 8 抛物面反射器参数：Material 为 MIRROR，Conic为 −1.000
参数录入完成后，可通过「系统查看者 → 查看 NSC 3D 布局」打开三维布局视图，直观确认反射面的朝向与几何形状。
图 9 NSC 3D 布局中的抛物面反射镜
五、创建灯丝光源
接下来建立光源。本案例不采用最简单的点光源，而是在焦点处布置一圈螺旋灯丝：线圈共 10 匝，总长 20 毫米，匝半径 5毫米。这种环形结构更贴近真实灯具的发光形态，也让后续的辐照度分布更具分析价值。
5.1 灯丝几何参数
图 10 灯丝线圈几何参数：10 匝、总长 20 毫米、匝半径 5 毫米
5.2 源丝对象配置
将对象 2 的对象类型改为 Filament Source（源丝），并录入相应参数。
图 11 源丝对象参数设置
双击布局窗口或使用「更新」刷新后，三维布局中显示 20条光线自源丝射出，与 NSC 布局光线参数中设定的光线条数一致。
图 12 布局中 20 条光线从源丝射出
六、旋转光源方位
新建的源丝默认沿 Z 轴方向发光，但本案例要求光束沿 X 轴传播，因此需要将源物体绕 Y 轴旋转 90 度。操作方式是在 Tilt About Y 参数中填入 90。
图 13 源丝的 Tilt About Y 参数设为 90
刷新布局后可以发现：默认的 YZ 平面视图看起来一切正常，灯丝似乎已沿 X 轴排列；但切换到 XZ 平面视图才会发现，灯丝的位置向 +X 方向偏移了。
6.1 不同视角下的布局对比
图 14YZ 平面视图：灯丝看似位置正常
图 15XZ 平面视图：灯丝实际向 +X 方向偏移
图 16 通过布局工具栏切换视角后的布局显示
偏移的根本原因在于：源丝的旋转轴并非位于物体的几何中心，而是落在灯丝的端部。要让灯丝准确居中于 X 轴上，需要在 X Position 列输入 −10 进行补偿。
图 17X Position 输入 −10 使灯丝旋转轴回到中心
再次更新布局，即可得到所需的位置与方向。这一细节提示我们：在非顺序模式中旋转对象时，必须同时复核参考点，否则极容易得到「看起来对、实际偏」的结果。
七、安装第一个探测器
为了量化该位置的辐照度分布，在距光源一定距离处放置一个矩形探测器。将对象 3 的对象类型改为 Rectangle Detector（探测矩形），并按需设置其尺寸与采样参数。
图 18 矩形探测器的 YZ 平面布局
布局显示有射线穿过探测器。需要留意的是，探测器在布局中呈现完全透明状态，这是因为其材料类型设置为空气，在编辑器中表现为空白。这是探测器的默认行为，并不影响其接收光线的功能。
八、追踪分析光线至探测器
单击「分析」菜单下的「探测器 → 探测器查看器」打开分析窗口。若此时直接查看结果，会发现画面空白、总功率为零，原因是探测器的数据窗口中尚无本次追踪的数据。
图 19 尚未追踪分析光线时，探测器查看器显示为空白
这一现象源于 OpticStudio 中布局光线与分析光线是两套彼此独立的追踪过程。布局光线仅用于绘制三维示意，其数量通常很小；而分析光线才是探测器查看器数据的真正来源，其数量在源丝对象的「# Analysis Rays」参数列中指定。本案例设置为 5 百万条。
8.1 启动分析光线追踪
通过「分析 → 探测器控制 → 光线追踪」打开探测器控制窗口，点击「清除与追踪」按钮，即可清除探测器中的历史数据并启动新的追踪。
图 20 探测器控制窗口：执行清除与追踪
追踪完成后，探测器查看器显示出清晰的辐照度分布，由灯丝环形结构引起的热点随之显现。
图 21 追踪结果：探测器上呈现明显的环形热点分布
若显示效果与预期不符，可打开探测器查看器设置窗口，确认显示模式、色彩映射与标尺范围等参数设置。
图 22 探测器查看器设置窗口
此外，在 NSC 阴影模型布局中勾选「按最后分析划分的彩色像素」选项，也可以直接以着色方式查看探测器的追踪结果。
23 阴影模型设置中的着色显示选项
图 24 按最后分析着色的阴影模型结果
九、添加平面凸透镜
此时系统已具备光源与反射器构成的准直光束。下一环节是在探测器右侧 10 毫米（+Z）处加入一枚平凸透镜，将平行光汇聚为聚焦光束。在编辑器中「探测矩形」之后插入新行，将对象类型设置为 Standard Lens（标准透镜），材料选用 N-BK7，并按需设置曲率半径、中心厚度与半口径。
图 25 加入平凸透镜后的 NSC 3D 布局
9.1 相对对象定位机制
这里需要特别说明透镜的定位方式。若在Reference Object 列输入 3，并在 Z Position 中输入 10，透镜将始终位于对象 3（探测矩形）右侧 10 毫米处。若改用默认的参考全局顶点（Reference Object 为 0），则 Z Position 的含义变为距全局顶点的绝对距离。
两者的差别在实际建模中非常明显：采用相对对象定位后，探测器无论被移动到何处，透镜始终保持 10 毫米的间距关系，这正是非顺序模式推荐的定位方式。它使得整条光路的相对几何关系可以被参数化地整体平移，而无需逐个对象重新输入绝对坐标。
9.2 验证聚焦效果
为了观察聚焦光束的形态，在透镜右侧 650 毫米（+Z）处再插入一个探测矩形（对象 5），并更新三维布局。
图 26 加入第二个探测器后的系统布局
十、重新追踪与偏振损耗的引入
通过「分析 → 探测器 → 探测器查看器」再打开一个查看器窗口，用以观察对象 5 的辐照度结果，并按需设置显示参数。
图 27 第二个探测器查看器的设置
由于 N-BK7 玻璃透镜表面未镀膜，必须考虑菲涅尔反射造成的能量损失，因此需要在探测器控制窗口中启用「使用偏振」选项。
图 28 探测器控制窗口：启用使用偏振以计入反射损耗
此处需要注意一个易被误解的细节：启用「使用偏振」后，反射损耗虽然被计入能量统计，但反射能量本身并未被继续传播。只有进一步勾选「分裂光线」，系统才会生成携带该部分能量的子射线并继续追踪。若不做分裂，探测器上得到的总功率已包含反射与吸收的扣减，这与「反射光被另行收集」在物理上是两种不同的模型。
图 29 计入反射损耗与整体吸收后的探测器总功率
十一、添加矩形光管完成匀光
最后一步是在对象 5 右侧 20 毫米（+Z）处加入一根矩形亚克力光管，用于均化辐照度分布。在编辑器中对象 5 之后插入新行，对象类型设置为 Rectangle Volume（矩形体积），材料输入 Acrylic（丙烯酸）。
图 30 提示添加 MISC 材料目录以定义丙烯酸材料
输入 Acrylic 作为材料类型时，OpticStudio 通常会弹出提示，询问是否将 MISC 材料目录添加到当前文件中。点击确认后，材料定义即可直接调用。
11.1 参考对象的负值写法
本案例中，光管的 Reference Object 设置为 −1，表示引用编辑器中紧邻其前的对象，即对象 5。这一写法与直接输入 5 完全等价，但在需要把一组配置好的对象整体复制粘贴到其他非顺序组件编辑器时，使用负值相对引用可以显著降低出错的可能。
图 31 矩形光管参数设置
十二、利用 Pickup Solve 定位末端探测器
为验证光管出光面的均匀度，在编辑器中再放置一个探测矩形（对象 7）。更新后的 NSC 3D 布局如下。
图 32 完整系统的 NSC 3D 布局
该探测器的材料类型设置为 Absorbing（吸收），因此它在布局中呈现为不透明的一斑，与前面两个透明探测器形成对比。
12.1 Pickup Solve 的价值
由于对象 7 的参考对象设为矩形光管，且 Z Position 填 0，探测器恰好落在光管的前表面上。真正的目的是将其放置在光管末端外侧 10 毫米处，此时 Z Position 应为 2010 毫米，即光管厚度加 10 毫米。
问题在于，一旦光管厚度被修改，手动输入的 2010 就会失效。为此可使用 Pickup Solve（拾取解），将 Z Position 设置为对对象 6（矩形体积）Z 长度的拾取，再叠加10 毫米的偏置量。求解生效后，编辑器中该参数旁会出现字母 P 标识，表明该值由公式自动计算得出。
图 33 为对象 7 的 Z 位置设置 Pickup Solve，参数旁出现 P 标识
这样一来，无论光管厚度如何调整，出光面探测器都会自动跟随，始终保持 10 毫米的采样距离。Pickup Solve 是非顺序编辑器中处理参数联动最常用的手段，凡涉及对象间尺寸耦合的位置关系，都建议优先采用。
十三、完整系统的光线追踪与结果分析
打开第三个探测器查看器以观察对象 7 的结果，重新执行光线追踪。切记勾选「使用偏振」，然后点击「清除与追踪」。
图 34 光管出光面辐照度分布：热点被打散，分布接近均匀
结果显示，光管对光束起到了良好的匀光作用。光源处的环形热点被有效扩散，出光面上的辐照度分布趋于均匀，总功率数值也清晰可读。至此，包含反射器、透镜、光管与三组探测器的完整系统搭建完毕。
十四、案例要点回顾
回顾整个流程，有几个关键经验值得总结。
布局光线与分析光线是两套独立机制。布局中的光线数量再多，也不会自动出现在探测器查看器中，必须显式执行分析光线追踪。
相对对象定位优于绝对坐标。通过 Reference Object 绑定上下游关系，可以让系统在整体平移时保持几何构型不变。
Pickup Solve 应成为参数联动的默认手段。凡是随其他对象尺寸变化而需要同步更新的量，都应通过拾取解自动计算，避免手工维护带来的失效风险。
损耗模型要与设计意图一致。是否启用「使用偏振」与「分裂光线」，直接决定反射能量是被计入损耗还是被继续追踪，需根据实际系统是否存在多次反射或杂散光路径来选择。
平面视角的布局显示容易掩盖偏差。单一切面的视图未必能暴露位置偏移问题，养成在多个视角间切换检查的习惯，可以避免后期返工。
十五、小结
本案例以最小的系统规模，覆盖了非顺序模式下最常用的建模与分析功能：从抛物面反射器与灯丝光源的准直光路，到平凸透镜的聚焦，再到亚克力光管的匀光，配合三组探测器完成了从光源特性到出光质量的完整评估闭环。
其中涉及的相对定位、Pickup Solve 与偏振损耗设置，均可直接迁移到更复杂的照明与杂散光分析项目中。后续在此基础上，可以进一步加入光源光谱采样、多材料镀膜定义、二次反射件以及 Light Pol 数据导出等内容，以支持更精细的照明设计评估。
