光線追跡仿真
關注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2025-12-26
光線追跡仿真的實例教程
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(tǒng)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(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(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）的實時開發(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(tǒng)的材料屬性以及發(fā)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(tǒng)時對其進行建模。可將其用于設計透鏡、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。
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仿真、模擬、有限元分析、多物理場……這些術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原理和演進趨勢，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，攜手各領域專家，圍繞Ansys全產(chǎn)品線的技術優(yōu)勢，帶您深入解析流體、結構、電子設計及電磁仿真、光學、光子學、半導體、自動駕駛、汽車、聲學、航空航天、材料等多個關鍵領域，讓復雜的專業(yè)知識觸手可及。
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(tǒng)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(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(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）的實時開發(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(tǒng)的材料屬性以及發(fā)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。
展開 SPRAY是一款適用于Windows 7/8/10 操作系統(tǒng)的軟件，用于進行頻率(或波長)分辨的光線追跡模擬仿真。您可以定義：
? 發(fā)射光線的光源
? 如鏡子、光散射器、吸收器或改變光線方向或吸收光線的表面等物體
? 屏幕、探測器和探測器陣列來收集關于設置中輻射分布的信息
SPRAY 組件
以下組件在當前版本中可用:
光源
? 點光源(各向同性發(fā)射)
? 體積光源(各向同性發(fā)射)
? 矩形光源(用戶自定義發(fā)射錐)
? 圓形光源(用戶自定義發(fā)射錐)
? 組合光源(多個元素發(fā)光)
探測器
? 矩形探測器
? 屏幕
? 線性檢測器陣列
? 球形探測器陣列
界面
界面將空間中的區(qū)域分開，例如定義從一種材料到另一種材料和/或從非散射區(qū)域到光散射體的過渡。界面被定義為層疊或邊界，具有用戶定義的反射率和透過率屬性(規(guī)則或漫反射)。
幾何物體
幾何物體可以被用戶定義的界面或理想的鏡子或吸收器覆蓋。以下這些形狀目前可用:
? 矩形
? 三角形
? 球體
? 部分球體
? 圓柱體
? 開柱面
? 錐
? 部分橢球
? 部分拋物面
? 球面聚光透鏡
? 球面色散透鏡
? 棱鏡
? 用戶自定義表面輪廓
? 多個子形狀的組合
SPRAY使用與SCOUT光譜仿真軟件相同的光學常數(shù)模型和數(shù)據(jù)，包括大型數(shù)據(jù)庫。在接口中使用的層疊定義也是完全相同的。在幾何物體之間，光線可以在吸收、散射或熒光介質中移動。
利用集成的Mie-程序計算多涂層球體的光散射和吸收特性。
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展開 摘要
VirtualLab不僅能夠進行光線追跡，也可以執(zhí)行場追跡。各種數(shù)值參數(shù)的規(guī)定可以對數(shù)值模擬進行控制。在VirtualLab中，這通常由精度因子的規(guī)范來處理。本示例闡述了如何使用提供的精度因子來控制VirtualLab中的光線追跡和場追蹤引擎，并重點放在非序列仿真的設置上。
仿真設置概覽
以下將更詳細地解釋模擬設置：
總精度(第二代場追跡)
1 采樣精度
2 傅里葉變換精度
非序列光線/場追跡
3 能量閾值
4 最大級
5 通道分辨率精度
6 僅顯示在3D視圖中入射探測器的路徑
1. 采樣精度
? 采樣精度是一個用于在追跡期間控制光場信息準確性的參數(shù)。
? 可以通過增加采樣精度因子來克服出現(xiàn)的意外人為現(xiàn)象。
2. 傅里葉變換精度
? 在VirtualLab中有幾個傅立葉變換算法。
? 根據(jù)場是位于其衍射區(qū)域還是幾何區(qū)域自動選擇。
? 小的傅里葉變換精確度（例如0.01）迫使全局使用幾何傅里葉變換，其特點在于比衍射變換快得多。
? 另外，每個探測器都可以單獨強制使用幾何傅里葉變換。
? 可以通過在相應檢測器的編輯對話框中激活“檢測器參數(shù)”選項卡下的“假設幾何場區(qū)域用于檢測器評估”復選框來選擇此項。
3. 能量閾值(非序列光線\光場追跡)
? 能量閾值是非序列追跡引擎的停止標準。
? 對于光能低于能量閾值的每一個 非序列光路，沿著路徑的光追跡將不做處理。
能量閾值：方案說明
? 遇到玻璃板時透射和反射光能的示例性說明。
? 在剩余能量達到可以忽略的水平之前，通常不需要很多反射。
? 在全反射的情況下，當然應該考慮許多相互作用。
? 下面顯示了能量閾值影響的一個例子。
展開 數(shù)據(jù)接下來被導入OpticStudio，以整合到光線追蹤系統(tǒng)中，借由超透鏡把準直光束聚焦。
超透鏡是由納米單元組成的先進光學結構，透過區(qū)域性調整單個單元，可以建立復雜的光學功能。然而，大規(guī)模仿真這種結構是一個真正的挑戰(zhàn)，因為它不是周期性的，它由大量的納米單元組成。此外，超透鏡本質上是基于波動光學的，但需要將它們整合到光線追蹤系統(tǒng)中。
此工作流使用lumerical搭配OpticStudio的物理光學傳播（POP）工具可以評估的十分全面，然而從工作流的方法中也呈現(xiàn)出仿真所需的內存隨著鏡頭尺寸變大而變大，大到超出目前內存能力的程度，會限制仿真的超表面尺寸。在本文中，介紹了設計直徑為20毫米的大型超透鏡的工作流程。在這個工作流程中，演示了我們可以在納米單元級別設計超表面，并將其組裝到厘米等級,并將超透鏡整合到OpticStudio的光線追蹤系統(tǒng)中。流程最后還提供了將超表面信息提取到GDS檔案中進行制造的步驟。
步驟1：定義相位目標
第一步是定義超透鏡相位目標的空間分布。由于大尺寸的超透鏡需要數(shù)量龐大的納米單元來構成，如果空間分布用位置的查表來表達，內存需求會超出一般CPU的負荷。在這個工作流程中，我們使用一個可解析定義的目標相位輪廓，例如球形或圓柱形輪廓。Ansys OpticStudio還可用于優(yōu)化整個光學系統(tǒng)中超透鏡所需的波前，以便使用具有離散系數(shù)的函式（例如多項式）來定義目標相位。在本文中，我們針對的是半徑為10mm，焦距為300mm的球面透鏡。
請注意，將數(shù)值孔徑 (NA) 保持在合理的值非常重要。如果超透鏡被設計為相位變化很快的輪廓，則邊緣上的相位變化可能超出考慮納米單元的分辨率所能實現(xiàn)的范圍。
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2.3 Ansys Speos：系統(tǒng)級集成與光學仿真分析
作為仿真流程核心載體，承擔模型集成、三維場景搭建、光線追跡、性能仿真、人眼感知評估全流程工作：
無縫導入Zemax鏡頭.odx文件與Lumerical光柵JSON文件，實現(xiàn)跨尺度模型融合；
構建車載三維場景，包含風擋、光波導、外殼等幾何結構，還原真實裝車環(huán)境；
基于CPU/GPU并行計算，開展非序列光線追跡，輸出光譜輻照度
借助專業(yè)光學設計工具的光線追跡、衍射仿真、參數(shù)優(yōu)化等功能，可適配各類靜態(tài)光學元件的設計需求，大幅縮短復雜光學系統(tǒng)的研發(fā)周期。
（1）非球面透鏡組
非球面透鏡組通過特殊曲率設計校正球差，實現(xiàn)高斯光束到平頂光束的高效轉換，其中伽利略型結構因適配大功率場景成為主流選擇。論文研究表明，非球面鏡的曲率系數(shù)、鏡片間距、入射光束直徑與發(fā)散角等參數(shù)，直接影響輸出光束的均勻性。
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簡介
這篇文章會說明如何在 MATLAB 或 Python 中以 Zemax OpticStudio 應用程式界面 (ZOS-API)處理光線數(shù)據(jù)庫(Ray Database, ZRD)檔案，過程中我們將使用ZRDLoader.dll。本文提供了在 Matlab 中批次處理序列光線追跡(一般、歸一化、偏振或非偏振)，以及在 Matlab 和 Python
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(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。
什么是光線追跡？3個月前
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(zhí)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。
原文信息
原文標題：“基于混合光線波前追跡法的可視化二維光柵光波導設計研究”
第一作者：葉川東
作者：宋強，覃嘉佳，張善文，王津，劉祥彪，周常河
增強現(xiàn)實（AR）近眼顯示技術中，衍射光波導因輕薄、大視場角等優(yōu)勢成為核心組件，但核心仿真工具長期被國外壟斷，制約國內產(chǎn)業(yè)發(fā)展。近日，國內研究團隊成功研發(fā)首套基于混合光線波前追跡法的可視化光波導仿真模塊
VirtualLab Fusion可以對導入的光學系統(tǒng)進行光線追跡仿真，更重要的是可以進行場追跡以進一步分析系統(tǒng)。
光線追跡仿真
?首先選擇“光線追跡系統(tǒng)分析器”作為模擬引擎。
?單擊go！
?獲得了3D光線追跡結果。
光線追跡仿真
?然后，選擇“光線追跡”作為模擬引擎。
?單擊go！
?結果得到點圖（二維光線追跡結果）。
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概述
這篇文章旨在介紹楊氏雙縫干涉實驗背后的理論知識，并在OpticStudio中用幾何光線追跡模擬該實驗，最后比較理論和模擬的結果。
簡介
楊氏雙縫干涉實驗是物理學中最著名的實驗之一。這個實驗通過展示光從點光源到干涉圖樣的變化，揭示了光的波動特性。楊氏實驗的結果可以定性地解釋為條紋圖，也可以定量地解釋為相干因子（作為為光源寬度的函數(shù)
準確度：使用先進的光線追跡和波動光學仿真，Ansys可確保可穿戴設備能夠在不同條件下提供精確可靠的測量結果。
熱管理：光學系統(tǒng)通常會產(chǎn)生熱量，而這會影響性能和用戶舒適度。Ansys的多物理場仿真功能可助力應對熱挑戰(zhàn)，確保實現(xiàn)最佳功能。
