高斯光线尺寸点列图工具
FRED的高斯光线尺寸点列图工具对于检验高斯子光束特性、可视化二级光线位置和诊断相干光线的错误非常有用。该工具利用对应的1/e2椭圆来绘制基准光线。尽管没有明确绘制，二级束腰光线沿着该椭圆一般有4个，在 和 方向。FRED在高斯光线尺寸点图中绘制了一个1/e2束腰光线椭圆，但是在光线追迹中使用了沿着稍小的1/eπ/2椭圆的二级光线。图3显示了在两个位置处激光光源的高斯点图：(a)在光源处，(b)在下游的650mm处。基准光线是完全准直的，但激光光束本身是发散的，这可以通过注意1/e2椭圆（在这种情况下圆形）已传播650毫米后尺寸的增加来观察。
图3 高斯光线尺寸点列图，放大的中心用以显示细节。(a)在光源位置。(b)当光束传播了650mm后，轮廓如最右边的子光束。基准光线准直，二次光线发散。
假设扩束器是光学系统的一部分，它需要第一表面距离激光源650毫米。一个例子是马赫泽德干涉仪，在其臂处有不同的光束尺寸，如图4所示。
图4 马赫泽德干涉仪的FRED模型，在一个臂处有扩束器。
仔细观察图3b，发现子光束轮廓直径大约是6mm。扩束器的发散透镜只有5mm的直径。因此推断二级光线被略去的似乎是合理的，但情况并不是这样的。复合光线追迹的基本准则之一是：如果基准光线与一个表面相交，然后所有它的二级光线一定与同样的表面相交。通过在数学上延展表面与每个二级光线相交，如图5所示，FRED强制执行该准则。当执行光线追迹时，所有的光线通过该表面。
图5 光学表面的数学延伸算法，用于与不和实际表面相交的二级光线相交。
有三种类型的相干光线的错误（在下面的部分中讨论），如果它是不能正确地传播的光线，在光线追迹后，FRED只显示了一个警告。就好像如果它无法在数学上延伸必要的表面，它就会发生。在执行分析时，另外两个相干光线错误只会产生一次警告。在扩束器的情况下，该追迹的光线没有错误或警告，这是由于透镜的球面很容易扩展。但是当执行分析时，问题升级了，因为二级光线不再与基准光线良好相关，子光束从完美的高斯型变成了过于发散。
光线状态
FRED的光线状态工具处理问题非常方便，如该扩束器模型，其中有一个问题，但细节和原因还不清楚。光线状态会输出目前系统中所有光线的状态，如图6所示。有三种类型的相干光线错误：
1.相干二级光线追迹错误（Coherent secondary ray raytrace errors:）：这表明，在光线追迹的过程中，发生了一些事件阻止了所有光线被正确追迹。在光线追迹完成后，描述了特定问题的一个警告呈现在输出窗口的光线追迹摘要中。举个例子，如果一个基准光线穿过了一个球透镜，但是二级光线与该透镜没有相交，延伸光学表面使得二级光线产生相交是不可能的，然后FRED会输出如下的消息：“Rays halted because unable to complete coherent secondary ray intersection(warn: 18)”。
2. 相干二级光线不变量违规(Coherent secondary ray invariant violations)：当子光束偏离高斯光束太远，这个错误就会产生。当光线追迹完成时，没有错误或警告，尝试分析时会产生一次。
3. 相干光线高斯指数衰减违规（Coherent ray Gaussian exponential decay violations）：此错误非常类似于前一个，但表示该子光束已经变得太发散。直到尝试分析时，才会报告一些错误或警告。
在扩束器的例子中，所有1313条光线违反二级光线不变量和高斯指数衰减，因此是无效的。如图6所示，概要显示了在光线追迹过程中可能产生的错误，这在对系统进行故障排除时作为切入点是很有用的。
图6 输出窗口显示了光线状态概中相干光线错误要结果
相干场重新采样
相干光场重采样特征可以用来解决相干光线的错误，通过计算和产生一组新的在扩展空间区域重现当前标量场相干光线。新光线归纳起来产生相同的场，但新合成的子光束重新定义了束腰和发散角。这类似于产生具有性能良好的子光束的一个全新的光源。面积、像素大小和重新采样网格的位置由一个分析表面实体指定。这些参数，就像是光源创建网格，决定了子光束的属性。因此，在定义一个光源时，关于像素尺寸和间距应该有相同的考虑。相干光场重采样执行以下操作：波前计算，任何球形和倾斜项的去除，光场的重新采样，球面和倾斜项的合并，在分析表面上每个像素的中心创建一个新的子束来再现原始光场。相干光场重新采样对话窗口如图7所示。
在此扩束器的例子中，光场的重新采样就在与原始光源具有相同的光束参数的第一个（发散）透镜的前面，因为它已经确定该束腰和发散是合理的。我们创建了比发散透镜（半孔径2mm）的尺寸略小的分析面，调整分割数来产生于初始光源（73）相同的束腰。这种调整是有必要的，因为初始光源是定义在圆形网格上，而新的光场是定义在方形分析表面上。
使用高级光线追迹功能，追迹从光源到第一个透镜的光线，该功能可以在光线追迹的过程中实现精确的控制，包括在特定的平面上停止光线追迹。然后光场可以被重新采样(Raytrace > Spatially Resample Scalar Field…)，删除现存的光线，并用新定义的光线替换它们。重新采样场应该与初始场相同，唯一的不同是用于定义它的光线。然后使用Trace Existing Rays或Trace and Render Existing命令，追迹系统剩余部分的光线。
图7 光场重新采样功能对话框
除了解决相干光线错误，相干光场重采样也可以在一个表面欠采样是的情况下使用。例如，如果扩束轨迹长度很大，第二透镜将满溢和欠采样，如图8所示。因为前面所描述的最小网格尺寸的限制，从而增加源光线的数量不是一个合适的解决方案。相干光场重采样特性可用于在第二透镜处重现光场，并合成具有透镜的足够空间采样的新光线网格。
图8 大倍率远焦望远镜致使第二透镜的欠采样。
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