寫在前面

仿真、模擬、有限元分析、多物理場……這些術(shù)語是不是早已成為每位仿真人的“日常”？大家是否知曉其背后的技術(shù)原理和演進(jìn)趨勢，正深刻地改變著世界？Ansys全新推出【Simulation Topics】系列專題，邀您一起探索仿真世界。本專題將以“一期一會”的形式，攜手各領(lǐng)域?qū)＜遥瑖@Ansys全產(chǎn)品線的技術(shù)優(yōu)勢，帶您深入解析流體、結(jié)構(gòu)、電子設(shè)計(jì)及電磁仿真、光學(xué)、光子學(xué)、半導(dǎo)體、自動駕駛、汽車、聲學(xué)、航空航天、材料等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，讓復(fù)雜的專業(yè)知識觸手可及。

光線追跡（Ray Tracing）是一種計(jì)算方法，用于表示光線與物體相互作用時(shí)的行為方式。在光的波長遠(yuǎn)小于與之相互作用的物體時(shí)，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(xué)及光子系統(tǒng)的路徑，而且還可仿真光線在與不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行物理交互時(shí)的折射、反射或散射方式。光線可以通過許多類型的光學(xué)系統(tǒng)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(qū)分。光線追跡涉及兩個(gè)方面的光的行為。其中，最常見的光線追跡應(yīng)用領(lǐng)域，是電子游戲。光線追跡有助于游戲開發(fā)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(shí)現(xiàn)著色器和全局照明（為3D場景添加逼真照明的算法）的實(shí)時(shí)開發(fā)。此外，其還可幫助開發(fā)人員提供表面紋理的渲染圖像。

視頻游戲是實(shí)時(shí)光線追跡技術(shù)，速度是關(guān)鍵，游戲引擎提供高級視覺效果以及高畫質(zhì)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(jì)算機(jī)圖形和渲染技術(shù)（光柵化等）為核心。

另一方面，在光學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)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(tǒng)的材料屬性以及發(fā)生的物理相互作用。在光學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域，光線追跡的核心是準(zhǔn)確定和光的行為核心，而不是作為視覺寫實(shí)的工具。本文重點(diǎn)介紹的是光線追跡在光學(xué)和光子組件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

光線追跡的工作原理？

光線追跡是一種計(jì)算方法，用于在光線穿過光學(xué)系統(tǒng)時(shí)對其進(jìn)行建模。可將其用于設(shè)計(jì)透鏡、傳感器和其它光學(xué)組件，以便基于不同入射角的光與結(jié)構(gòu)相互作用的方式來預(yù)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(zhì)界面上彎曲程度的屬性）的材料時(shí)，會通過新介質(zhì)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(shí)，會分為兩個(gè)部分：一部分在進(jìn)入新介質(zhì)時(shí)會折射（彎曲），而另一部分則會從表面反射。根據(jù)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(jìn)入高折射率材料（如玻璃），會向法線彎曲。反之，進(jìn)入折射率較低的材料則會使其偏離法線。

光線追蹤本質(zhì)上是跟蹤光在不同材料和全尺度光學(xué)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(tǒng)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(yàn)這些光線在穿過不同材料和幾何結(jié)構(gòu)后是如何變化的。

總之，光線追跡是一種高效、準(zhǔn)確的仿真方法，可支持高質(zhì)量光學(xué)組件的設(shè)計(jì)。

光線追跡的應(yīng)用領(lǐng)域

光線追跡廣泛應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)仿真，特別是在系統(tǒng)的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光的波長時(shí)。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(jì)算，提升仿真的速度和計(jì)算效率。

對于小于光波長的系統(tǒng)，光線追跡的有效性會變低，因?yàn)檠苌浜透缮娴炔▌蝇F(xiàn)象會占據(jù)主導(dǎo)地位。在這種情況下，電磁場分析（例如時(shí)域有限差分（FDTD）或嚴(yán)格耦合波分析（RCWA）更為合適，因?yàn)槠鋾紤]上述影響。雖然這些方法是計(jì)算密集型的，但它們可為亞波長系統(tǒng)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。

光線追跡可以覆蓋所有涉及光的應(yīng)用，從天文學(xué)到電磁學(xué)、航空航天、國防、通信、醫(yī)療技術(shù)以及消費(fèi)類電子產(chǎn)品。光線追跡的最大應(yīng)用領(lǐng)域是所有涉及鏡頭的實(shí)際應(yīng)用，從常規(guī)攝像頭到手機(jī)攝像頭、抬頭顯示器、望遠(yuǎn)鏡、AR/VR頭顯、前照燈、內(nèi)窺鏡以及照明系統(tǒng)（醫(yī)療或建筑），不一而足。

在光學(xué)及光子設(shè)計(jì)中使用光線追跡

光線追跡可用于評估光學(xué)組件的性能并改進(jìn)其設(shè)計(jì)，以滿足嚴(yán)格的規(guī)范要求。一些評估的參數(shù)包括組件對光的聚焦程度、光源傳輸?shù)綀D像（用于顯示器）中的能量、圖像顏色深度以及光學(xué)組件的對比度質(zhì)量。

從組件的角度來看，從光線追跡中獲得的信息可用于優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用光線追跡可以獲得大量信息，其中包括：

• 鏡頭設(shè)計(jì)：評估透鏡曲率或厚度的變化如何影響光傳播和光學(xué)性能
• 制造變化：評估透鏡曲率或其它生產(chǎn)公差的微小偏差如何影響系統(tǒng)性能
• 空間最大化：優(yōu)化光學(xué)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(xué)設(shè)備（包括交通光線會對觀看抬頭顯示器的駕駛員產(chǎn)生怎樣的影響）的用戶的感知產(chǎn)生怎樣的影響
• 消除失真：識別錯(cuò)誤光源的來源及其帶來的影響
• 系統(tǒng)對齊：微調(diào)多個(gè)光學(xué)元件的位置和方向，以提高系統(tǒng)性能
• 圖像質(zhì)量：在顯示應(yīng)用中評估最終圖像質(zhì)量

其可以評估復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)中的所有不同的潛在光變效應(yīng)以及多個(gè)鏡頭之間的相互作用，以了解光學(xué)系統(tǒng)的最終性能。光線追跡可用于構(gòu)建“圖像”，供工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)組件之前查看，從而節(jié)省時(shí)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(jù)一系列幾何結(jié)構(gòu)計(jì)算出來的。在光學(xué)系統(tǒng)中，數(shù)百萬甚至數(shù)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(jìn)行數(shù)百到數(shù)千次運(yùn)算，才能準(zhǔn)確計(jì)算其穿過組件的路徑，這就需要具有高計(jì)算性能的計(jì)算系統(tǒng)。

高端CPU有多個(gè)內(nèi)核，其中最高端的CPU有多達(dá)128個(gè)內(nèi)核，其可獨(dú)立處理每束光線。然而，GPU（通常稱為顯卡）具有不同的架構(gòu)，其內(nèi)部的計(jì)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(shù)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(nèi)核（RT內(nèi)核），是專門用于優(yōu)化光線傳播的計(jì)算單元。為光線追跡提供專用計(jì)算單元，可實(shí)現(xiàn)更高的性能。Ansys多年來一直使用最新的領(lǐng)先GPU來提供最佳性能，并使用NVIDIA RTX GPU來盡量提供領(lǐng)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(xué)組件上執(zhí)行不同級別的光線追跡。主要軟件解決方案有Ansys Zemax OpticStudio和Ansys Speos。

OpticStudio軟件用于觀察光線如何與鏡頭、反射鏡和棱鏡等單個(gè)光學(xué)組件相互作用。一旦單個(gè)光學(xué)組件完成成像后，就可以使用Ansys Speos軟件對其進(jìn)行全系統(tǒng)仿真（例如汽車內(nèi)部仿真），以了解光線如何與更大系統(tǒng)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(xué)設(shè)備的感知情況，而且還能為該系統(tǒng)中的所有材料提供逼真的表面渲染效果。例如，我們可以預(yù)測，鍍鉻材料在擋風(fēng)玻璃上的反射會如何影響駕駛員的注意力。