什么是光線追跡？
光線追跡（Ray Tracing）是一種計算方法，用于表示光線與物體相互作用時的行為方式。在光的波長遠小于與之相互作用的物體時，光線追跡可用于仿真光的行為。
光線追跡不僅可追蹤這些光線穿過不同光學及光子系統的路徑，而且還可仿真光線在與不同結構進行物理交互時的折射、反射或散射方式。光線可以通過許多類型的光學系統并與之相互作用，其中許多常見物體，如反射鏡、透鏡或棱鏡，所有這些相互作用都可以仿真。
然而，需要做出重要的區分。光線追跡涉及兩個方面的光的行為。其中，最常見的光線追跡應用領域，是電子游戲。光線追跡有助于游戲開發人員通過測定物體反射光線的方式，在游戲中提供逼真的視覺效果，從而實現著色器和全局照明（為3D場景添加逼真照明的算法）的實時開發。此外，其還可幫助開發人員提供表面紋理的渲染圖像。
視頻游戲是實時光線追跡技術，速度是關鍵，游戲引擎提供高級視覺效果以及高畫質圖像，盡管增加的算力會降低游戲的幀速率。游戲中的光線追跡以計算機圖形和渲染技術（光柵化等）為核心。
另一方面，在光學和光子學領域，光線追跡是光源與物理物體相互作用的方式，因此其考慮系統的材料屬性以及發生的物理相互作用。在光學和光子學領域，光線追跡的核心是準確定和光的行為核心，而不是作為視覺寫實的工具。本文重點介紹的是光線追跡在光學和光子組件設計中的應用。
光線追跡的工作原理？
光線追跡是一種計算方法，用于在光線穿過光學系統時對其進行建模?？蓪⑵溆糜谠O計透鏡、傳感器和其它光學組件，以便基于不同入射角的光與結構相互作用的方式來預測組件性能。光線在空氣中傳播并遇到另一種具有不同折射率（決定光在密度不同的兩種介質界面上彎曲程度的屬性）的材料時，會通過新介質折射，而有一部分則會反射。
光線穿過空氣并遇到具有不同折射率（衡量材料減慢速度并使光線彎曲的程度）的材料時，會分為兩個部分：一部分在進入新介質時會折射（彎曲），而另一部分則會從表面反射。根據斯涅爾定律（Snell's Law），彎曲程度取決于兩種材料之間的折射率差異。例如，光線從低折射率材料（如空氣）進入高折射率材料（如玻璃），會向法線彎曲。反之，進入折射率較低的材料則會使其偏離法線。
光線追蹤本質上是跟蹤光在不同材料和全尺度光學組件（例如透鏡和衍射光柵等）中的基本物理行為。這是一種基于仿真的方法，可在系統中可視化光路徑，其不僅包括觀察光源附近的光是什么樣子的，而且還包括檢驗這些光線在穿過不同材料和幾何結構后是如何變化的。
總之，光線追跡是一種高效、準確的仿真方法，可支持高質量光學組件的設計。
光線追跡的應用領域
光線追跡廣泛應用于光學系統仿真，特別是在系統的尺寸遠遠大于光的波長時。這種尺寸差異允許光線追跡將光近似為光線，而忽略其波狀屬性，從而可簡化計算，提升仿真的速度和計算效率。
對于小于光波長的系統，光線追跡的有效性會變低，因為衍射和干涉等波動現象會占據主導地位。在這種情況下，電磁場分析（例如時域有限差分（FDTD）或嚴格耦合波分析（RCWA）更為合適，因為其會考慮上述影響。雖然這些方法是計算密集型的，但它們可為亞波長系統提供必要的精度，無需極高的中央處理單元（CPU）和圖形處理單元（GPU）性能，便可獲得基于光線的近似。
展示單個光線如何通過手機鏡頭傳播的光線追跡仿真
光線追跡可以覆蓋所有涉及光的應用，從天文學到電磁學、航空航天、國防、通信、醫療技術以及消費類電子產品。光線追跡的最大應用領域是所有涉及鏡頭的實際應用，從常規攝像頭到手機攝像頭、抬頭顯示器、望遠鏡、AR/VR頭顯、前照燈、內窺鏡以及照明系統（醫療或建筑），不一而足。
在光學及光子設計中使用光線追跡
光線追跡可用于評估光學組件的性能并改進其設計，以滿足嚴格的規范要求。一些評估的參數包括組件對光的聚焦程度、光源傳輸到圖像（用于顯示器）中的能量、圖像顏色深度以及光學組件的對比度質量。
從組件的角度來看，從光線追跡中獲得的信息可用于優化設計。利用光線追跡可以獲得大量信息，其中包括：
- 鏡頭設計：評估透鏡曲率或厚度的變化如何影響光傳播和光學性能
- 制造變化：評估透鏡曲率或其它生產公差的微小偏差如何影響系統性能
- 空間最大化：優化光學器件中的外殼和封裝空間
- 感知的改變：了解不同角度的光線將對佩戴或觀看光學設備（包括交通光線會對觀看抬頭顯示器的駕駛員產生怎樣的影響）的用戶的感知產生怎樣的影響
- 消除失真：識別錯誤光源的來源及其帶來的影響
- 系統對齊：微調多個光學元件的位置和方向，以提高系統性能
- 圖像質量：在顯示應用中評估最終圖像質量
其可以評估復雜光學系統中的所有不同的潛在光變效應以及多個鏡頭之間的相互作用，以了解光學系統的最終性能。光線追跡可用于構建“圖像”，供工程師在實際設計組件之前查看，從而節省時間和資金。
GPU如何影響光線追跡性能
在光線追跡仿真中，光軌跡是根據一系列幾何結構計算出來的。在光學系統中，數百萬甚至數十億光線將與需要仿真的組件相互作用。對于每一束光線，都需要進行數百到數千次運算，才能準確計算其穿過組件的路徑，這就需要具有高計算性能的計算系統。
高端CPU有多個內核，其中最高端的CPU有多達128個內核，其可獨立處理每束光線。然而，GPU（通常稱為顯卡）具有不同的架構，其內部的計算單元更小但更多。因此，更好的GPU可以提高光線追跡功能。
NVIDIA在2018年將RTX技術推向市場以來，GPU的功能得到了顯著提升。這些GPU包含光線追跡內核（RT內核），是專門用于優化光線傳播的計算單元。為光線追跡提供專用計算單元，可實現更高的性能。Ansys多年來一直使用最新的領先GPU來提供最佳性能，并使用NVIDIA RTX GPU來盡量提供領先的光線追跡仿真。
光線追跡仿真軟件
Ansys具有不同的軟件解決方案，可用于在不同光學組件上執行不同級別的光線追跡。主要軟件解決方案有Ansys Zemax OpticStudio軟件和Ansys Speos應用。
OpticStudio軟件用于觀察光線如何與鏡頭、反射鏡和棱鏡等單個光學組件相互作用。一旦單個光學組件完成成像后，就可以使用Ansys Speos軟件對其進行全系統仿真（例如汽車內部仿真），以了解光線如何與更大系統的所有不同組件相互作用。
Speos軟件可用于研究人眼在不同條件（例如白天、夜間、陰天或雪天）下對光學設備的感知情況，而且還能為該系統中的所有材料提供逼真的表面渲染效果。例如，我們可以預測，鍍鉻材料在擋風玻璃上的反射會如何影響駕駛員的注意力。
Ansys Speos仿真——日光照射下的汽車內飾。100Grays。
現已證實，選擇紅色皮革和灰色啞光金屬材質，可改變駕駛員的視野。
Ansys Speos仿真——夜間汽車內飾。100Grays。
指示燈的反射會改變駕駛員在左后視鏡上的視野。
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