光線追跡仿真的案例
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。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。
展開 一期一會 | 光線追跡在光學和光子組件設計中的應用
寫在前面
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全產品線的技術優勢，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。
展開 SPRAY 光譜光線追跡仿真軟件
SPRAY是一款適用于Windows 7/8/10 操作系統的軟件，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(各向同性發射)
? 體積光源(各向同性發射)
? 矩形光源(用戶自定義發射錐)
? 圓形光源(用戶自定義發射錐)
? 組合光源(多個元素發光)
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模型和數據，包括大型數據庫。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。
聯系我們
展開 非序列配置：如何使用光線追跡和場追跡的仿真設置
摘要
VirtualLab不僅能夠進行光線追跡，也可以執行場追跡。各種數值參數的規定可以對數值模擬進行控制。在VirtualLab中，這通常由精度因子的規范來處理。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。
? 可以通過增加采樣精度因子來克服出現的意外人為現象。
2. 傅里葉變換精度
? 在VirtualLab中有幾個傅立葉變換算法。
? 根據場是位于其衍射區域還是幾何區域自動選擇。
? 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”選項卡下的“假設幾何場區域用于檢測器評估”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 
Ansys Lumerical｜大尺寸超透鏡的光線追跡仿真
數據接下來被導入OpticStudio，以整合到光線追蹤系統中，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，透過區域性調整單個單元，可以建立復雜的光學功能。然而，大規模仿真這種結構是一個真正的挑戰，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還可用于優化整個光學系統中超透鏡所需的波前，以便使用具有離散系數的函式（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的范圍。
展開 國產AR技術突破 | 自主研發混合光線波前追跡仿真模塊
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
增強現實（AR）近眼顯示技術中，衍射光波導因輕薄、大視場角等優勢成為核心組件，但核心仿真工具長期被國外壟斷，制約國內產業發展。近日，國內研究團隊成功研發首套基于混合光線波前追跡法的可視化光波導仿真模塊，填補了國產化空白。
二維光柵 AR 波導的分區與光柵結構優化（來自原文）
該模塊創新融合幾何光線追跡與嚴格耦合波分析（RCWA），在宏觀光傳播模擬中保證效率，于微納光柵作用處精準捕獲波前信息，集成 k 域分析、光柵自動布局等核心功能，支持從結構設計到成像系統的跨尺度一體化仿真。
基于此模塊設計的二維衍射光波導，尺寸僅 55mm×40mm×1mm，實現 30° 視場角、15mm×7mm 眼動范圍及 14mm 出瞳距離。出瞳照度均勻性達 51%-86%，視場均勻性 32%-50%，50cycles/mm 空間頻率下 MTF 值均超 0.5，滿足 AR 近眼顯示核心光學要求。
軟件光線傳播分析圖（來自原文）
模塊通過粒子群算法優化耦入光柵參數，將耦出光柵分區設計，有效提升能量分布均勻性。與國外商業軟件對比驗證，關鍵指標高度吻合，彰顯其可靠性與高精度。該模塊現已正式嵌入武漢二元科技有限公司的旗艦產品OAS光學軟件。
該模塊已為國產 AR 光學研發提供自主可控的高效設計工具，助力消費級 AR 設備落地，對推動我國光學技術自主創新與產業升級具有重要意義。
（原文獲取：請您私信聯系工作人員）
展開 Lumerical 大尺寸超透鏡的光線追跡仿真
光線追蹤的集成邏輯是在光線撞擊超透鏡的空間位置處附近的相位值進行插值，以確定局部相位梯度。m階光線的輸出方向計算如下：
其中(Xi,Yi,Zi)分別是入射與出射光線的單位矢量，n1與n2是入射與出射的環境折射率，λ是波長，m是衍射級次，P(x,y)是局部相位(以弧度為單位), 注意z假設為表面的法向矢量。
點列圖顯示聚焦效果并不好，即便使用了理想透鏡相位來設計超透鏡。造成此結果其中一個原因是微納單元的納米柱半徑值是有限的采樣，其引起的相位變化量是離散的，造成超透鏡組成的相位與理想透鏡相位有偏差。另一個原因是微納單元目前是整齊的二維網格排列，在點列圖上造成水平與垂直方向的十字圖案。
OpticStudio 的表面參數中提供兩種根據相位梯度插值方法來計算光線彎曲，值 1 要求雙線性插值，而值 3 對應雙三次插值。雙三次插值可能更準確一些，而雙線性方法預計對相位跳躍更穩健一些。
確保系統的波長與用于生成數據庫的波長匹配非常重要，角度范圍應與生成數據庫時 RCWA 掃描中使用的角度范圍相匹配，以確保獲得最準確的結果。
步驟4：GDS檔案生成
導出為 GDS 格式是制造過程中必不可少的最后一步。在如此大的規模下仍然支持此功能，請參閱文章Small-scale metalens - Field propagation 以了解更多詳細信息。
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展開 光學設計與仿真技術：Lumerical大尺寸超透鏡的光線追跡仿真
Ansys有很多優秀的光學設計和仿真相關產品，它們在汽車AR，VR，HUD，半導體，醫療以及高科技方面有廣泛的應用，如果您有相關的需求，請通過以下的方式進行咨詢！
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VirtualLab Fusion：為光線追跡生成光線
在鏡頭系統的光線追跡中，光線起源于物點，并且通常針對光闌進行特定選擇，例如，主光線穿過光闌的中心。如果我們從物理光學的角度來看這條光線的選擇，我們會發現光線與球面波的波前正交，球面波的波前起始于物點。在VirtualLabFusion中，這種情況可以通過在光源平面中移動選擇球面場源模式來獲得。
在光線追跡中，如何以合理和統一的方式處理球形光源和高斯光源這兩種示例場景呢？如何產生光線？
我們的答案是一種基于物理光學并且光線光學也包含在其中的方式。用戶可以選擇“Include Diffraction-Induced Contribution to Ray Direction”選項。然后，在高斯光束或任何其他光源模式的情況下，計算應該追跡通過的系統的第一個表面上模式的發散度，包括其衍射效應。這給我們提供了生成光線所需的信息，光線的方向包括發散度。
總之，我們執行從光源平面到系統的第一表面的物理光學傳播，并在那里生成光線。通過適當選擇傅里葉變換，可以包含或不包含衍射。這表明，即使對于基本光線跟蹤，初始物理光學建模的步驟通常也是有必要的。VirtualLab Fusion通過選擇“Include Diffraction-Induced Contribution to Ray Direction”來實現這一需要。
最初的物理光學步驟為我們提供了另一個選擇。在光線產生的平面上，我們還知道場振幅以及每條光線線的相關能量。選擇“Unselect Rays with an Associated Energy Smaller Than x%”選項，能量小于光源平面中最大光線能量x%的光線在計算中將被丟棄。
展開 VirtualLab Fusion：為光線追跡生成光線
在鏡頭系統的光線追跡中，光線起源于物點，并且通常針對光闌進行特定選擇，例如，主光線穿過光闌的中心。如果我們從物理光學的角度來看這條光線的選擇，我們會發現光線與球面波的波前正交，球面波的波前起始于物點。在VirtualLabFusion中，這種情況可以通過在光源平面中移動選擇球面場源模式來獲得。
在光線追跡中，如何以合理和統一的方式處理球形光源和高斯光源這兩種示例場景呢？如何產生光線？
我們的答案是一種基于物理光學并且光線光學也包含在其中的方式。用戶可以選擇“Include Diffraction-Induced Contribution to Ray Direction”選項。然后，在高斯光束或任何其他光源模式的情況下，計算應該追跡通過的系統的第一個表面上模式的發散度，包括其衍射效應。這給我們提供了生成光線所需的信息，光線的方向包括發散度。
總之，我們執行從光源平面到系統的第一表面的物理光學傳播，并在那里生成光線。通過適當選擇傅里葉變換，可以包含或不包含衍射。這表明，即使對于基本光線跟蹤，初始物理光學建模的步驟通常也是有必要的。VirtualLab Fusion通過選擇“Include Diffraction-Induced Contribution to Ray Direction”來實現這一需要。
最初的物理光學步驟為我們提供了另一個選擇。在光線產生的平面上，我們還知道場振幅以及每條光線線的相關能量。選擇“Unselect Rays with an Associated Energy Smaller Than x%”選項，能量小于光源平面中最大光線能量x%的光線在計算中將被丟棄。
展開 FRED：光線追跡的控制
下圖說明了散射光線的父源，因為入射光線在兩個粗糙的鏡面之間反射。藍光為0代，兩面鏡面反射；紅光為1代，M1處散射，M2處鏡面反射；綠光為2代，M1處散射，M2處散射。
光線代系的限制由“光線控制”對話框上的“代系截止等級 Ancestry level cutoff”選項控制。 對于所有“光線追跡”屬性，默認的鏡面反射的代系（截止等級）為2，默認的散射代系（截止等級）為1。此設置允許鏡面射線分裂兩次，并產生一代散射。 在一個實際案例的鏡面代系截止設置中，請考慮以下事實：當由外部光源（例如太陽）照射時，任何透鏡系統都可能在各個表面之間引起反射。 此過程通常稱為鬼像。 為了使這些反射到達像平面，必須在分配給鏡頭表面的光線跟蹤控件上允許偶數次反射（2、4、6，..）。 兩次反射稱為一階鬼像，四個反射稱為二階鬼像，依此類推。 另一個關于光線代系的案例來自于對法布里-珀羅效應的建模。盡管法布里-珀羅的透射率和反射率的表達是通過項的無限求和而得出的，但對光線分裂的限制必然導致累加的終止。 在對應于圖a-c的情況下，代系等級直接確定保留多少累加的項。 另一方面，對應于圖d中的情況，僅要求鏡面反射代系截止值保持其默認值2。當超過“相交計數截止值”或當光線通量低于“光線功率截止閾值”時，則累加將被終止。
展開 
經過玻璃平板的非序列光線追跡
虛擬和混合現實>近眼顯示
任務/系統描述
亮點
非序列光場追跡，具有可控制的輸入/輸出正向及反向通道邏輯
說明：光源
說明：準直透鏡
說明：玻璃平板
說明：通道邏輯
說明：探測器
結果：3D光線追跡&點列圖
結果：3D光線追跡&點列圖
結果：3D光線追跡&點列圖
文件&技術信息
VirtualLab Fusion高NA物鏡聚焦的分析
因此，在聚焦仿真中最基本的就是考慮光的矢量性質。 使用VirtualLab對這種鏡頭進行光線追跡和場追跡分析非常方便。通過場追跡，可以清楚地展示不對稱焦斑，這源于矢量效應。相機探測器和電磁場探測器為聚焦區域的研究提供了充分的靈活性，可以讓用戶深入了解矢量效應。
建模任務
概觀
光線追跡仿真
?首先選擇“光線追跡系統分析器”（Ray Tracing System Analyzer）作為仿真引擎。
?點擊Go！
?獲得3D光線追跡結果。
光線追跡仿真
?然后，選擇“光線追跡”（Ray Tracing）作為仿真引擎。
?單擊Go！
?結果，獲得點列圖（2D光線追跡結果）。
場追跡仿真
?切換到場追跡并選擇“第二代場追跡”（Field Tracing 2nd Generation）作為仿真引擎。
?單擊Go！
場追跡結果（攝像機探測器）
?上圖只顯示整合了Ex和Ey場分量的強度。
?下圖顯示整合了Ex，Ey和Ez分量的強度。
Ez分量：由于在高NA情況下相對較大的Ez分量，可以看到明顯的不對稱性。
場追跡結果（電磁場探測器）
?所有電磁場分量均使用電磁場探測器獲得。
文件信息
展開 Ansys Zemax | 繪圖分辨率結果對光線追跡的影響
您會注意到，在這種情況下，光線追跡控制中沒有報錯：
然而，如果您比較這四個系統的光線追跡結果，您將會注意到，環形面分辨率越高，探測器上的總命中率就越高，但是根據上面的光線追跡結果來看，沒有光線被損耗。這里我們可以看出，只有具有自定義繪圖分辨率的探測器才會收集來自相應光源的所有光線：
比較四個系統的結果，可以清楚地看出環形面的繪制分辨率對光線追跡的影響：如果繪制分辨率不足以提供足夠的初步預測，光線追跡的結果是不準確的，且與預期不一致。
注意：上述行為很大程度上取決于您的具體系統，沒有關于何時需要提高繪圖分辨率的總體建議。此外OpticStudio沒有檢測這種潛在問題的方法，因此在這種情況下不會產生光線追跡錯誤。光線追跡結果需要由用戶來檢查（例如，通過系統3D視圖），以確保系統準確性。
展開 利用光線追跡分析高數值孔徑透鏡系統
10.總結
■VirtualLab Fusion 可利用新的光線追跡引擎對復雜光學系統進行分析。
■利用三維光線追跡我們可以對系統進行分析，并對位置等信息進行概覽。
■此外，系統可以直接利用光線追跡引擎進行分析。
■可用于評價點列圖，也可以附加其他探測器（如光斑尺寸探測器）。
