序列模式光線追跡的案例
非序列配置：如何使用光線追跡和場追跡的仿真設(shè)置
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(shè)置上。
仿真設(shè)置概覽
以下將更詳細地解釋模擬設(shè)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(zhǔn)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(yīng)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(shè)幾何場區(qū)域用于檢測器評估”復(fù)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(biāo)準(zhǔn)。
? 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(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例子。
展開 經(jīng)過玻璃平板的非序列光線追跡
虛擬和混合現(xiàn)實>近眼顯示
任務(wù)/系統(tǒng)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(zhǔn)直透鏡
說明：玻璃平板
說明：通道邏輯
說明：探測器
結(jié)果：3D光線追跡&點列圖
結(jié)果：3D光線追跡&點列圖
結(jié)果：3D光線追跡&點列圖
文件&技術(shù)信息
VirtualLab Fusion：為光線追跡生成光線
在鏡頭系統(tǒng)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(xué)的角度來看這條光線的選擇，我們會發(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。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(tǒng)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(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(yīng)該追跡通過的系統(tǒng)的第一個表面上模式的發(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通過選擇“Include Diffraction-Induced Contribution to Ray Direction”來實現(xiàn)這一需要。
最初的物理光學(xué)步驟為我們提供了另一個選擇。在光線產(chǎn)生的平面上，我們還知道場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，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(tǒng)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(xué)的角度來看這條光線的選擇，我們會發(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。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(tǒng)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(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(yīng)該追跡通過的系統(tǒng)的第一個表面上模式的發(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通過選擇“Include Diffraction-Induced Contribution to Ray Direction”來實現(xiàn)這一需要。
最初的物理光學(xué)步驟為我們提供了另一個選擇。在光線產(chǎn)生的平面上，我們還知道場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，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(rèn)的鏡面反射的代系（截止等級）為2，默認(rèn)的散射代系（截止等級）為1。此設(shè)置允許鏡面射線分裂兩次，并產(chǎn)生一代散射。 在一個實際案例的鏡面代系截止設(shè)置中，請考慮以下事實：當(dāng)由外部光源（例如太陽）照射時，任何透鏡系統(tǒng)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(shù)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(guān)于光線代系的案例來自于對法布里-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(dǎo)致累加的終止。 在對應(yīng)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(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“相交計數(shù)截止值”或當(dāng)光線通量低于“光線功率截止閾值”時，則累加將被終止。
展開 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(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(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(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算機圖形和渲染技術(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的工具。本文重點介紹的是光線追跡在光學(xué)和光子組件設(shè)計中的應(yīng)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(xué)系統(tǒng)時對其進行建模。可將其用于設(shè)計透鏡、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，會通過新介質(zhì)折射，而有一部分則會反射。
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(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(guān)于設(shè)置中輻射分布的信息
SPRAY 組件
以下組件在當(dāng)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(xué)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(zhì)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(lián)系我們
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(rèn)的鏡面反射的代系（截止等級）為2，默認(rèn)的散射代系（截止等級）為1。此設(shè)置允許鏡面射線分裂兩次，并產(chǎn)生一代散射。
在一個實際案例的鏡面代系截止設(shè)置中，請考慮以下事實：當(dāng)由外部光源（例如太陽）照射時，任何透鏡系統(tǒng)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(shù)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(guān)于光線代系的案例來自于對法布里-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(dǎo)致累加的終止。在對應(yīng)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(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“相交計數(shù)截止值”或當(dāng)光線通量低于“光線功率截止閾值”時，則累加將被終止。
展開 Ansys Zemax | 繪圖分辨率結(jié)果對光線追跡的影響
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概要
大多數(shù)時候，非序列系統(tǒng)中原生本機物體的默認(rèn)繪圖分辨率足以提供光線和物體在光線追跡期間交點位置的 “初步預(yù)測”。然而在某些情況下，光線會錯過它原本要擊中的物體。這個罕見的現(xiàn)象通常只出現(xiàn)在光線入射劇烈彎曲物體時，此時而增加繪圖分辨率能在這種情況下確保光線擊中物體。
簡介
在OpticStudio的非序列模式中，繪圖分辨率設(shè)置用于在每個物體周圍生成一個 “邊界區(qū)域”。如果光線不穿過邊界，則程序假定光線不會擊中物體。在某些情況下，這意味著當(dāng)分辨率設(shè)置得太低時，光線可能會錯過它應(yīng)該擊中的對象。
繪圖分辨率設(shè)置僅適用于布局圖。該設(shè)置會影響物體的渲染方式，并提供光線和物體交點位置的 “初步預(yù)測”。對于光線追跡，只要繪圖分辨率能夠提供充分的初步預(yù)測，其精度將不被繪圖分辨率設(shè)置所限制。
簡單示例
在附件文件中，您將看到繪圖分辨率對光線追跡影響的示例。
一個由高斯光源、環(huán)形面和矩形探測器組成的系統(tǒng)被復(fù)制了四次，在每個系統(tǒng)中，光源都位于靠近環(huán)形面一端的位置，以便讓光源產(chǎn)生的所有光線都進入由環(huán)形面定義的管道。請注意，環(huán)形面的材質(zhì)是 “反射鏡 (MIRROR) ”，因此所有進入管道的光線都會在管道表面反彈，并擊中位于管道末端的探測器。
作為比較，除了環(huán)形面的繪制分辨率外，所有4種系統(tǒng)的其他設(shè)置都是相同的。該屬性在每個環(huán)形面的繪圖屬性中定義，并在非序列元件編輯器的標(biāo)注欄中標(biāo)注：
3D視圖上一些光線正從管道中逸出，而環(huán)形面分辨率越高，逸出的光線就越少。
為了表明這不僅僅是繪圖渲染的結(jié)果，我們將啟動光線追跡。
展開 [VirtualLab] 非序列追跡的通道設(shè)置
? 定義一個理想的光柵，周期2μm，衍射效率為:
T0=10%
T+1=60%
T+2=10%
表面1區(qū)域： 打開-/+
表面2區(qū)域： 打開+/+
[包括T0、T+1、T+2衍射級次]
文檔信息
拓展閱讀
- 平板玻璃的非序列光線追跡分析
- 平面或曲面標(biāo)準(zhǔn)具的建模
- 統(tǒng)一多通道光波導(dǎo)外耦合光柵的優(yōu)化
利用光線追跡分析高數(shù)值孔徑透鏡系統(tǒng)
10.總結(jié)
■VirtualLab Fusion 可利用新的光線追跡引擎對復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)進行分析。
■利用三維光線追跡我們可以對系統(tǒng)進行分析，并對位置等信息進行概覽。
■此外，系統(tǒng)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）。
[FRED] 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(rèn)的鏡面反射的代系（截止等級）為2，默認(rèn)的散射代系（截止等級）為1。此設(shè)置允許鏡面射線分裂兩次，并產(chǎn)生一代散射。
在一個實際案例的鏡面代系截止設(shè)置中，請考慮以下事實：當(dāng)由外部光源（例如太陽）照射時，任何透鏡系統(tǒng)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(shù)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(guān)于光線代系的案例來自于對法布里-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(dǎo)致累加的終止。 在對應(yīng)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(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“相交計數(shù)截止值”或當(dāng)光線通量低于“光線功率截止閾值”時，則累加將被終止。
展開 VirtualLab：非序列追跡的通道設(shè)置
通道定義
每個表面有四個可選的通道，至少應(yīng)該激活一個通道以進行追跡。
可以為每個表面單獨定義通道。
不同的通道設(shè)置會導(dǎo)致不同的建模方案。
要更改“常規(guī)光學(xué)設(shè)置”中元件的通道，請將主菜單中的“Light Path Finder”部分的設(shè)置更改為“手動配置”。
要更改“常規(guī)光學(xué)設(shè)置”中元件的通道，請將主菜單中的“Light Path Finder”部分的設(shè)置更改為“手動配置”。
區(qū)域通道
表面的區(qū)域
可以定義表面上的各個區(qū)域，并單獨定義它們的光學(xué)特性，包括通道設(shè)置。
區(qū)域定義
在第一個表面上創(chuàng)建一個矩形區(qū)域。
將區(qū)域大小設(shè)置為
2.25 mm×2.25 mm，其中心位置x方向設(shè)置為-3.6 mm。
在第一個表面上創(chuàng)建一個矩形區(qū)域。
將區(qū)域大小設(shè)置為2.25 mm×2.25 mm，其中心位置x方向設(shè)置為-3.6 mm。
將該區(qū)域定義為一個單透射級次T0 = 50 %和一個單反射級次R0 = 50 %的光柵，構(gòu)成半反射鏡。
在這里我們只處理零階衍射，這與通常基于折射的透射和反射相同。
給出了從背面入射的效率；在這個例子中，T和R分別對應(yīng)于-/-和-/+通道。
區(qū)域定義
按照與表面相同的規(guī)則設(shè)置該區(qū)域的通道。
區(qū)域定義
可以在一個給定的區(qū)域上定義一個衍射光柵。
區(qū)域定義
可以在一個給定的區(qū)域上定義一個衍射光柵。
我們在第二個表面上添加一個矩形區(qū)域（2.25 mm邊長），中心位置沿x方向-8.2 mm
區(qū)域定義
可以在一個給定的區(qū)域上定義一個衍射光柵。
我們在第二個表面上添加另一個矩形區(qū)域（2.25 mm邊長），中心位置沿x方向-8.2 mm。
展開 高數(shù)值孔徑準(zhǔn)直系統(tǒng)的光線追跡分析
示例.0084(1.0)
關(guān)鍵詞：光線追跡，波前差，自定義評價函數(shù)，準(zhǔn)直，RMS
1. 描述
■ 該案例中介紹了如何利用VirtualLab軟件中光線追跡引擎評價一個高數(shù)值孔徑準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)的性能。
■ 顯示光線追跡分析結(jié)果的二維和三維結(jié)果。
■ 此外，利用一個可編程探測器對光線追跡結(jié)果中的自定義評價函數(shù)進行評價：
— 每條光線的波前差
— 準(zhǔn)直光束波前差的均方根（RMS）值
2. 系統(tǒng)
文件名：UseCase.0084_CollimationSystem.lpd
3. 系統(tǒng)配置
■ 該系統(tǒng)包括一個用于照明準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)的球面波。
■ 透鏡系統(tǒng)通過光學(xué)界面序列(OIS)定義。
■ 在透鏡系統(tǒng)后面5mm處放置一個虛擬屏和一個可編程探測器。
■ 可編程探測器可以定義光線和場追跡的自定義評價函數(shù)。
■ 在這個案例中，利用光線追跡信息(光程)計算波前差。
■目前這個探測器僅可用于準(zhǔn)直光束。其功能將會很快的得到增強。
4. 編輯可編程探測器
5. 光線追跡系統(tǒng)分析器結(jié)果(3D)
6. 光線追跡結(jié)果(虛擬屏)
7. 光線追跡結(jié)果(波前差探測器)
8. 總結(jié)
■ 該案例說明，VirtualLab軟件可用于分析復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)。
■ 利用光線追跡可以進行三維和二維評價。
■ 可編程探測器允許用戶定義自定義的評價函數(shù)。這可以快速生成一個缺失的探測器防方程(非內(nèi)置)。
■ 波前差和均方根探測將會在將來的版本中改進并作為標(biāo)準(zhǔn)探測器引入(內(nèi)置)。
展開 非序列追跡的通道設(shè)置
如何調(diào)整表面上的通道和表面上的任何可能的光柵區(qū)域，以及如何用這些設(shè)置來控制仿真。
建模任務(wù)
VirtualLab Fusion可以靈活地配置表面和（光柵）區(qū)域的通道。通過調(diào)整通道配置，可以輕松地實現(xiàn)所需的建模方案。我們使用一個具有兩個表面的光波導(dǎo)的案例來演示通道的配置。顯示了由不同的設(shè)置組合產(chǎn)生的光路結(jié)果。此外，我們還在光波導(dǎo)表面上添加了光柵區(qū)域，并演示了這些區(qū)域的通道配置，以及這些區(qū)域的光柵參數(shù)。
初始化
?
使用兩個平面表面創(chuàng)建一個由熔融石英制成的、厚度為5 mm的平面光波導(dǎo)。
表面通道
?
我們在第二個表面上添加一個矩形區(qū)域（2.25 mm邊長），中心位置沿x方向-8.2 mm
?
可以在一個給定的區(qū)域上定義一個衍射光柵。
區(qū)域定義
T+2=10%
T+1=60%
T0=10%
?
定義一個理想的光柵，周期2μm，衍射效率為
展開 