光線追跡
關注創建者：tanrch 創建時間：2019-01-01
光線追跡的實例教程
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 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 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 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。
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光研科技南京有限公司是國內可靠的光學軟件和儀器光電供應商，提供企業定制化上門培訓服務，承接各類光學設計項目，并有一系列自主編寫出版的光學設計書籍。公司擁有一支高素質、高水平、實戰經驗豐富的管理，銷售以及研發團隊，從成立到現在已經為廣大企業，研究所以及高校提供了很多優秀的產品和服務，是光電圈內值得信賴的企業。追光逐夢，研以致用！以用戶的需求為起點，為客戶提供有價值的光學產品和服務一直都是光研科技南京有限公司的宗旨。
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展開 示例.0084(1.0)
關鍵詞：光線追跡，波前差，自定義評價函數，準直，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值孔徑準直透鏡系統的性能。
■ 顯示光線追跡分析結果的二維和三維結果。
■ 此外，利用一個可編程探測器對光線追跡結果中的自定義評價函數進行評價：
— 每條光線的波前差
— 準直光束波前差的均方根（RMS）值
2. 系統
文件名：UseCase.0084_CollimationSystem.lpd
3. 系統配置
■ 該系統包括一個用于照明準直透鏡系統的球面波。
■ 透鏡系統通過光學界面序列(OIS)定義。
■ 在透鏡系統后面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。
■ 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. 光線追跡系統分析器結果(3D)
6. 光線追跡結果(虛擬屏)
7. 光線追跡結果(波前差探測器)
8. 總結
■ 該案例說明，VirtualLab軟件可用于分析復雜光學系統。
■ 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。這可以快速生成一個缺失的探測器防方程(非內置)。
■ 波前差和均方根探測將會在將來的版本中改進并作為標準探測器引入(內置)。
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2.3 Ansys Speos：系統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
? 光線追跡
利用 OAS 軟件序列光線追跡技術，模擬光線的完整傳播路徑，追蹤光線從光源發出、經聚光系統匯聚、穿透菲林片、通過成像鏡頭投射至目標面的全過程。結合非序列光線追跡功能，分析系統雜散光干擾，模擬鬼像、散射等現象，通過路徑提取工具定位雜散光關鍵區域，優化機械結構表面散射特性，降低雜散光能量占比。
同時，對光線追跡的相關參數進行優化，包括追跡光線數量、追跡精度等，以保證光線追跡結果的準確性與可靠性。
? 光線追跡與數據采集
完成上述設置后，使用OAS軟件的核心光線追跡功能。OAS基于表面的非序列光線追跡技術，采用蒙特卡洛原理追跡隨機分布的幾何光線或波動光束，以圖形化方式顯示光線、幾何體及分析結果。
在 Zemax OpticStudio 的光線追跡過程中，如果某條光線打到光柵上，系統會自動調用 Lumerical RCWA 來求解電磁場響應，并返回相應數據。
該工作流程具有以下幾個優勢：
1.復雜的一維/二維光柵建模：借助強大的幾何編輯器，用戶可以輕松構建并仿真任意的一維或二維光柵。
2.快速原型設計：Lumerical 中的參數會暴露給 OpticStudio。
FRED應用：偏振片的模擬10天前
虛擬和探測器表面具有“Absorb”涂層和“Halt All”光線追跡控制的橢圓平面。分析面分配到了每個平面。
圖1.隨機偏振光由x偏振片過濾，由探測器進行收集
有兩種方法來模擬偏振片。最簡單的方法是添加偏振涂層到表面。
八個二級光線包括：代表光束腰的四個正交二級束腰光線，和代表光束發散度的四個正交二級發散光線。在光線追跡的過程中，主光線決定了所有二級光線的命運：如果主光線通過了一個孔徑，假設，則所有的二級光線必須通過該孔徑。這項使用光線來表示高斯子束的技術被稱為復合光線追跡。
圖1.高斯子束的復合光線表示
如果激光在一個空間濾波器處聚焦，則在相干光線追跡中的大多數主光線將會通過孔徑。
?元件的大小僅用于在3D光線追跡視圖中顯示；仿真中不考慮孔徑效應。
?參考面可以在三維系統視圖中可視化，以幫助排列光柵。
?所應用的光柵結構可以是一維周期(層狀)，也可以是二維周期(交叉光柵)。
堆棧的方向
堆棧的方向可以用兩種方式指定：
它既可以應用在表面的正面，也可以應用在背面(在固體標簽中定義)。
請注意，如果堆棧位于正面，堆棧將繞Z軸旋轉180°。
圖 2.簡易像散高斯光束規格
圖 3.發散的像散激光光源的光線追跡示意圖，沿著：x-z軸（左），y-z軸（中）和透視圖（右）。發散角在x方向是5°，在y方向是15°。焦點分開了0.5個單位。
例3.激光二極管光束
激光二極管光束是一種更新和更準確的像散型發散激光源模型。激光用x和y方向發散角和焦點的位置指定。此外，發散角的準確含義可以根據不同的半寬和全寬來說明。
</p><p>? 分析優化</p><p>采用 OAS序列與非序列光線追跡引擎，生成 MLA 投影燈三維光線軌跡傳播圖，直觀呈現子光線準直、聚焦與成像全過程。
02/軟件強效助力光波導/超表面仿真
（軟件主界面）
OAS光學軟件軟件能夠在3D空間中通過序列和非序列光線追跡技術，精確模擬光學系統的性能表現。
軟件集成幾何光學到波動光學的跨尺度仿真，打通宏觀光路與微觀光柵的仿真壁壘，無需多軟件切換，實現毫米級到納米級全尺度無縫仿真。
