反向光線追跡
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
反向光線追跡的實(shí)例教程
摘要
VirtualLab不僅能夠進(jìn)行光線追跡，也可以執(zhí)行場(chǎng)追跡。各種數(shù)值參數(shù)的規(guī)定可以對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行控制。在VirtualLab中，這通常由精度因子的規(guī)范來(lái)處理。本示例闡述了如何使用提供的精度因子來(lái)控制VirtualLab中的光線追跡和場(chǎng)追蹤引擎，并重點(diǎn)放在非序列仿真的設(shè)置上。
仿真設(shè)置概覽
以下將更詳細(xì)地解釋模擬設(shè)置：
總精度(第二代場(chǎng)追跡)
1 采樣精度
2 傅里葉變換精度
非序列光線/場(chǎng)追跡
3 能量閾值
4 最大級(jí)
5 通道分辨率精度
6 僅顯示在3D視圖中入射探測(cè)器的路徑
1. 采樣精度
? 采樣精度是一個(gè)用于在追跡期間控制光場(chǎng)信息準(zhǔn)確性的參數(shù)。
? 可以通過(guò)增加采樣精度因子來(lái)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(gè)傅立葉變換算法。
? 根據(jù)場(chǎng)是位于其衍射區(qū)域還是幾何區(qū)域自動(dòng)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(diǎn)在于比衍射變換快得多。
? 另外，每個(gè)探測(cè)器都可以單獨(dú)強(qiáng)制使用幾何傅里葉變換。
? 可以通過(guò)在相應(yīng)檢測(cè)器的編輯對(duì)話(huà)框中激活“檢測(cè)器參數(shù)”選項(xiàng)卡下的“假設(shè)幾何場(chǎng)區(qū)域用于檢測(cè)器評(píng)估”復(fù)選框來(lái)選擇此項(xiàng)。
3. 能量閾值(非序列光線\光場(chǎng)追跡)
? 能量閾值是非序列追跡引擎的停止標(biāo)準(zhǔn)。
? 對(duì)于光能低于能量閾值的每一個(gè) 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(shuō)明
? 遇到玻璃板時(shí)透射和反射光能的示例性說(shuō)明。
? 在剩余能量達(dá)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(dāng)然應(yīng)該考慮許多相互作用。
? 下面顯示了能量閾值影響的一個(gè)例子。
展開(kāi) 圖11顯示了正向追跡和反向追跡的輻照度計(jì)算結(jié)果。
圖10 計(jì)算平面上的照度分布
在此有兩個(gè)實(shí)際問(wèn)題：計(jì)算時(shí)間和準(zhǔn)確性。在一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)中，如果分析師嘗試獲得增量變化對(duì)設(shè)計(jì)的影響并且想要“實(shí)時(shí)”地這樣做，那么光線追跡時(shí)間將會(huì)特別多。反向光線可以使計(jì)算近乎迭代。此外，因?yàn)楣β适諗康乃俣缺染鶆蛐砸螅敲捶治鰩煄缀蹩梢源_信結(jié)果的準(zhǔn)確性，即使只有少數(shù)光線從每個(gè)微分區(qū)到達(dá)弧光源。
圖11 兩個(gè)輻照度的計(jì)算的對(duì)比：一個(gè)使用向前光線追跡而后一個(gè)使用反向光線追跡。后者需比前者少53x光線來(lái)達(dá)到相同的精度水平。
4. 計(jì)算自發(fā)熱輻射
在許多應(yīng)用程序中，長(zhǎng)波紅外引導(dǎo)頭的設(shè)計(jì)作為一個(gè)常見(jiàn)的例子，減少熱自輻射意味著減少噪聲，從而提高靈敏度。
自發(fā)熱輻射簡(jiǎn)單描述：每個(gè)作為朗伯發(fā)射器的光學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)輻射能量作為它的溫度和輻射率函數(shù)。這些釋放出的能量就是通過(guò)光線追跡進(jìn)行模擬；當(dāng)其通過(guò)系統(tǒng)傳播時(shí)，這些光線遵循幾何光學(xué)的定律。光線（因此他們所代表是熱能）聚集在FPA上。
根據(jù)這個(gè)計(jì)算，大多數(shù)軟件讓用戶(hù)設(shè)定對(duì)象的溫度和發(fā)射率。從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來(lái)看，這是完全錯(cuò)誤的做法!在大多數(shù)“真正的”系統(tǒng)中，F(xiàn)PA相對(duì)于光學(xué)和機(jī)械部件朝向非常小的立體角，所以當(dāng)很多光線追跡時(shí)，如果有的話(huà)，那么很少到達(dá)FPA上（圖12）。結(jié)果是自發(fā)熱輻射的錯(cuò)誤的估計(jì)。
有一個(gè)更有效的但不是最優(yōu)的方法。直接的或間接的，大多數(shù)軟件允許用戶(hù)指定優(yōu)選的輻射方向，在文獻(xiàn)中這些被稱(chēng)為“重要性采用”。使用這種技術(shù)，用戶(hù)指定每個(gè)光學(xué)和機(jī)械組件的重要性方向。在光線追跡中，光線優(yōu)先散射到這些方向，這樣可以非常有效地將光線導(dǎo)向FPA（圖13）。這極大的提高了統(tǒng)計(jì)，并產(chǎn)生了自發(fā)輻射的準(zhǔn)確評(píng)估。
展開(kāi) 在鏡頭系統(tǒng)的光線追跡中，光線起源于物點(diǎn)，并且通常針對(duì)光闌進(jìn)行特定選擇，例如，主光線穿過(guò)光闌的中心。如果我們從物理光學(xué)的角度來(lái)看這條光線的選擇，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)光線與球面波的波前正交，球面波的波前起始于物點(diǎn)。在VirtualLabFusion中，這種情況可以通過(guò)在光源平面中移動(dòng)選擇球面場(chǎng)源模式來(lái)獲得。
在光線追跡中，如何以合理和統(tǒng)一的方式處理球形光源和高斯光源這兩種示例場(chǎng)景呢？如何產(chǎn)生光線？
我們的答案是一種基于物理光學(xué)并且光線光學(xué)也包含在其中的方式。用戶(hù)可以選擇“Include Diffraction-Induced Contribution to Ray Direction”選項(xiàng)。然后，在高斯光束或任何其他光源模式的情況下，計(jì)算應(yīng)該追跡通過(guò)的系統(tǒng)的第一個(gè)表面上模式的發(fā)散度，包括其衍射效應(yīng)。這給我們提供了生成光線所需的信息，光線的方向包括發(fā)散度。
總之，我們執(zhí)行從光源平面到系統(tǒng)的第一表面的物理光學(xué)傳播，并在那里生成光線。通過(guò)適當(dāng)選擇傅里葉變換，可以包含或不包含衍射。這表明，即使對(duì)于基本光線跟蹤，初始物理光學(xué)建模的步驟通常也是有必要的。VirtualLab Fusion通過(guò)選擇“Include Diffraction-Induced Contribution to Ray Direction”來(lái)實(shí)現(xiàn)這一需要。
最初的物理光學(xué)步驟為我們提供了另一個(gè)選擇。在光線產(chǎn)生的平面上，我們還知道場(chǎng)振幅以及每條光線線的相關(guān)能量。選擇“Unselect Rays with an Associated Energy Smaller Than x%”選項(xiàng)，能量小于光源平面中最大光線能量x%的光線在計(jì)算中將被丟棄。
展開(kāi) 在鏡頭系統(tǒng)的光線追跡中，光線起源于物點(diǎn)，并且通常針對(duì)光闌進(jìn)行特定選擇，例如，主光線穿過(guò)光闌的中心。如果我們從物理光學(xué)的角度來(lái)看這條光線的選擇，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)光線與球面波的波前正交，球面波的波前起始于物點(diǎn)。在VirtualLabFusion中，這種情況可以通過(guò)在光源平面中移動(dòng)選擇球面場(chǎng)源模式來(lái)獲得。
在光線追跡中，如何以合理和統(tǒng)一的方式處理球形光源和高斯光源這兩種示例場(chǎng)景呢？如何產(chǎn)生光線？
我們的答案是一種基于物理光學(xué)并且光線光學(xué)也包含在其中的方式。用戶(hù)可以選擇“Include Diffraction-Induced Contribution to Ray Direction”選項(xiàng)。然后，在高斯光束或任何其他光源模式的情況下，計(jì)算應(yīng)該追跡通過(guò)的系統(tǒng)的第一個(gè)表面上模式的發(fā)散度，包括其衍射效應(yīng)。這給我們提供了生成光線所需的信息，光線的方向包括發(fā)散度。
總之，我們執(zhí)行從光源平面到系統(tǒng)的第一表面的物理光學(xué)傳播，并在那里生成光線。通過(guò)適當(dāng)選擇傅里葉變換，可以包含或不包含衍射。這表明，即使對(duì)于基本光線跟蹤，初始物理光學(xué)建模的步驟通常也是有必要的。VirtualLab Fusion通過(guò)選擇“Include Diffraction-Induced Contribution to Ray Direction”來(lái)實(shí)現(xiàn)這一需要。
最初的物理光學(xué)步驟為我們提供了另一個(gè)選擇。在光線產(chǎn)生的平面上，我們還知道場(chǎng)振幅以及每條光線線的相關(guān)能量。選擇“Unselect Rays with an Associated Energy Smaller Than x%”選項(xiàng)，能量小于光源平面中最大光線能量x%的光線在計(jì)算中將被丟棄。
展開(kāi) 下圖說(shuō)明了散射光線的父源，因?yàn)槿肷?em>光線在兩個(gè)粗糙的鏡面之間反射。藍(lán)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(duì)話(huà)框上的“代系截止等級(jí) Ancestry level cutoff”選項(xiàng)控制。 對(duì)于所有“光線追跡”屬性，默認(rèn)的鏡面反射的代系（截止等級(jí)）為2，默認(rèn)的散射代系（截止等級(jí)）為1。此設(shè)置允許鏡面射線分裂兩次，并產(chǎn)生一代散射。 在一個(gè)實(shí)際案例的鏡面代系截止設(shè)置中，請(qǐng)考慮以下事實(shí)：當(dāng)由外部光源（例如太陽(yáng)）照射時(shí)，任何透鏡系統(tǒng)都可能在各個(gè)表面之間引起反射。 此過(guò)程通常稱(chēng)為鬼像。 為了使這些反射到達(dá)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(shù)次反射（2、4、6，..）。 兩次反射稱(chēng)為一階鬼像，四個(gè)反射稱(chēng)為二階鬼像，依此類(lèi)推。 另一個(gè)關(guān)于光線代系的案例來(lái)自于對(duì)法布里-珀羅效應(yīng)的建模。盡管法布里-珀羅的透射率和反射率的表達(dá)是通過(guò)項(xiàng)的無(wú)限求和而得出的，但對(duì)光線分裂的限制必然導(dǎo)致累加的終止。 在對(duì)應(yīng)于圖a-c的情況下，代系等級(jí)直接確定保留多少累加的項(xiàng)。 另一方面，對(duì)應(yīng)于圖d中的情況，僅要求鏡面反射代系截止值保持其默認(rèn)值2。當(dāng)超過(guò)“相交計(jì)數(shù)截止值”或當(dāng)光線通量低于“光線功率截止閾值”時(shí)，則累加將被終止。
展開(kāi) 
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這篇文章會(huì)說(shuō)明如何在 MATLAB 或 Python 中以 Zemax OpticStudio 應(yīng)用程式界面 (ZOS-API)處理光線數(shù)據(jù)庫(kù)(Ray Database, ZRD)檔案，過(guò)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
寫(xiě)在前面
仿真、模擬、有限元分析、多物理場(chǎng)……這些術(shù)語(yǔ)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(shì)，正深刻地改變著世界？Ansys全新推出【Simulation Topics】系列專(zhuān)題，邀您一起探索仿真世界。本專(zhuān)題將以“一期一會(huì)”的形式，攜手各領(lǐng)域?qū)＜?，圍繞Ansys全產(chǎn)品線的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，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(dòng)駕駛、汽車(chē)
什么是光線追跡？3個(gè)月前
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(zhǎng)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(guò)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(guò)許多類(lèi)型的光學(xué)系統(tǒng)并與之相互作用，其中許多常見(jiàn)物體，如反射鏡、透鏡或棱鏡，所有這些相互作用都可以仿真
原文信息
原文標(biāo)題：“基于混合光線波前追跡法的可視化二維光柵光波導(dǎo)設(shè)計(jì)研究”
第一作者：葉川東
作者：宋強(qiáng)，覃嘉佳，張善文，王津，劉祥彪，周常河
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）近眼顯示技術(shù)中，衍射光波導(dǎo)因輕薄、大視場(chǎng)角等優(yōu)勢(shì)成為核心組件，但核心仿真工具長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷，制約國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。近日，國(guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)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(dǎo)仿真模塊
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概述
這篇文章旨在介紹楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)背后的理論知識(shí)，并在OpticStudio中用幾何光線追跡模擬該實(shí)驗(yàn)，最后比較理論和模擬的結(jié)果。
簡(jiǎn)介
楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)中最著名的實(shí)驗(yàn)之一。這個(gè)實(shí)驗(yàn)通過(guò)展示光從點(diǎn)光源到干涉圖樣的變化，揭示了光的波動(dòng)特性。楊氏實(shí)驗(yàn)的結(jié)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)
[FRED] FRED：光線追跡的控制6個(gè)月前
本文介紹了FRED中光線代系的概念，它既適用于鏡面反射事件也適用于散射事件。與代系相關(guān)的約定將以圖形方式說(shuō)明。
光線的代系區(qū)分與入射光線（與界面相交時(shí)）分散為透射，反射和/或散射有關(guān)。 諸如父母，子女，孫子女等或世代[0,1,2，..]等族譜術(shù)語(yǔ)通常用于描述此屬性。 可在光線控制(Raytrace Controls)的設(shè)置中對(duì)此參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。
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概要
照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)者通常需要向客戶(hù)提供IES格式的數(shù)據(jù)。照明工程學(xué)會(huì) (Illuminating Engineering Society，IES) 文件格式便于傳輸輝度數(shù)據(jù)，該格式得到了制造商和設(shè)計(jì)師的廣泛認(rèn)可。本文描述了如何生成IES文件并驗(yàn)證結(jié)果。
簡(jiǎn)介
復(fù)雜的照明系統(tǒng)可以在OpticStudio的非序列模式下進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，之后，您可能需要向潛在客戶(hù)提供輸出數(shù)據(jù)
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概要
大多數(shù)時(shí)候，非序列系統(tǒng)中原生本機(jī)物體的默認(rèn)繪圖分辨率足以提供光線和物體在光線追跡期間交點(diǎn)位置的 “初步預(yù)測(cè)”。然而在某些情況下，光線會(huì)錯(cuò)過(guò)它原本要擊中的物體。這個(gè)罕見(jiàn)的現(xiàn)象通常只出現(xiàn)在光線入射劇烈彎曲物體時(shí)，此時(shí)而增加繪圖分辨率能在這種情況下確保光線擊中物體。
簡(jiǎn)介
在OpticStudio的非序列模式中，繪圖分辨率設(shè)置用于在每個(gè)物體周?chē)梢粋€(gè)
Techwiz LCD：LC透鏡光線追跡8個(gè)月前
由于LC透鏡具有體積小、焦距可變等優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)為是光學(xué)系統(tǒng)中一個(gè)有前途的研究領(lǐng)域。
由于LC材料的折射率可以通過(guò)施加電壓來(lái)調(diào)整，所以可以在有限的空間內(nèi)改變焦距。在LC透鏡結(jié)構(gòu)中，可以通過(guò)TechWiz Ray 2D和3D計(jì)算光程差和焦距，并進(jìn)行高級(jí)LC分析，包括通過(guò)施加電壓進(jìn)行LC指向矢分布。
（a）LC分布和光學(xué)路徑分析（關(guān)狀態(tài)）
（b）LC分布和光學(xué)路徑分析
Techwiz LCD：LC透鏡光線追跡8個(gè)月前
由于LC透鏡具有體積小、焦距可變等優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)為是光學(xué)系統(tǒng)中一個(gè)有前途的研究領(lǐng)域。
由于LC材料的折射率可以通過(guò)施加電壓來(lái)調(diào)整，所以可以在有限的空間內(nèi)改變焦距。在LC透鏡結(jié)構(gòu)中，可以通過(guò)TechWiz Ray 2D和3D計(jì)算光程差和焦距，并進(jìn)行高級(jí)LC分析，包括通過(guò)施加電壓進(jìn)行LC指向矢分布。
（a） LC
