O que você está procurando?
O que é o ray tracing?
Definição de Ray Tracing
Em softwares de fotônica e engenharia óptica, o traçado de raios é uma técnica utilizada para representar a propagação de frentes de onda eletromagnéticas (ópticas) através de um sistema. Os raios são linhas construídas a partir de pontos discretos em superfícies que representam a posição local da frente de onda à medida que ela se propaga através de um sistema óptico.
Esses raios, que são perpendiculares à frente de onda local, propagam-se em linha reta através de meios homogêneos. Os raios mudam de direção nas fronteiras de refração, de acordo com a Lei de Snell, e refletem nas fronteiras, de acordo com a Lei da Reflexão. Eles mudam de direção nas interfaces difrativas, de acordo com a equação de difração da rede vetorial, e em meios não homogêneos, por meio de equações que regem os materiais de índice gradiente.
Quando os raios interagem com superfícies de difusão, eles são modificados de acordo com as equações que regem a difusão. É possível associar propriedades adicionais aos raios, tais como intensidade, propriedades de polarização e “caminho óptico” (o caminho físico multiplicado pelo índice de refração do meio), e essas propriedades também podem ser modificadas adequadamente nas interfaces.
Figuras 1 e 2. Exemplos de traçado de raios através de um sistema óptico.
Índice
Que problema o ray tracing resolve?
Com o ray tracing, é possível simular o comportamento das frentes de onda ópticas através de diversos meios. O ray tracing permite determinar a qualidade da imagem renderizada em sistemas de formação de imagem, a distribuição da luz em sistemas de iluminação e muito mais. O ray tracing, combinado com a otimização dos parâmetros do sistema óptico, pode melhorar automaticamente o desempenho da imagem ou da iluminação, a fim de atingir os objetivos desejados.
Você pode utilizar os resultados do traçado de raios para diversos fins de diagnóstico e análise. Por exemplo, é possível estimar a qualidade da imagem de uma objetiva de microscópio traçando os raios que a atravessam no sentido inverso, para verificar o grau de foco da luz.
Figura 3. Vista em corte de uma objetiva de microscópio, focalizando os raios em pontos sob uma lamela.
Figura 4. A luz no eixo é focada com precisão quando os raios são traçados através da objetiva do microscópio.
O círculo no desenho indica o tamanho do ponto limitado pela difração. Os pontos mostram as interseções dos raios traçados até o foco para diferentes comprimentos de onda (cores) da luz, neste caso, vermelho, verde e azul. Esse tipo de gráfico de interseções — comumente chamado de diagrama de pontos — é uma ferramenta de diagnóstico frequentemente utilizada no projeto óptico.
Você também pode otimizar o comportamento dos raios traçados para obter a distribuição de luz ou o tamanho do ponto desejados. Uma vantagem do ray tracing em software é que você pode paralelizar amplamente o processo (e acelerá-lo por meio de outros métodos), permitindo simulações muito mais rápidas do que seria possível de outra forma.
Em softwares de imagem, é necessário um número relativamente pequeno de raios para uma simulação precisa (10 a 1.000 raios). O objetivo do projeto de sistemas de imagem é obter a melhor imagem possível. As métricas de desempenho típicas são a função de transferência de modulação (MTF), a função de difusão pontual e o tamanho do ponto.
No caso de softwares de iluminação, o objetivo é controlar a distribuição da luz, e normalmente não se trata de formar uma imagem. Nesse caso, são necessários muito mais raios, que geralmente são traçados (de 1.000 a milhões) por meio de um processo chamado simulação de Monte Carlo. Define-se uma fonte de luz, traçam-se milhões de raios e otimiza-se o sistema para obter o padrão de iluminação desejado.
Por que o ray tracing é importante para a simulação óptica?
O ray tracing é uma importante técnica de simulação devido à sua precisão relativa (em muitas situações), combinada com sua eficiência computacional geral, em comparação com métodos mais rigorosos de propagação de ondas eletromagnéticas. É possível combinar o ray tracing com outros algoritmos computacionais para simular fenômenos físicos com maior precisão.
Por exemplo, é possível traçar uma grade de raios até a pupila de saída de um sistema óptico, com a intensidade (amplitude**2) e a fase (caminho óptico) de cada raio rastreado. Uma transformada de Fourier do campo complexo (amplitude e fase) simulará a intensidade da estrutura da imagem, incluindo a difração.
Qual solução de ray tracing da Keysight é a mais adequada para mim?
Figura 5. Vista 3D de um receptor de ângulo amplo, simulada no CODE V.
CÓDIGO V
Ao projetar sistemas ópticos, os engenheiros precisam de um software potente e robusto para obter resultados rápidos e precisos. Projetos ópticos confiáveis e otimizados em menos tempo economizam tempo e dinheiro, além de contribuir para os resultados financeiros da sua empresa. O portfólio de softwares de traçado de raios da Keysight foi desenvolvido com isso em mente e atende à necessidade de projetos ópticos de alta qualidade. A escolha do software certo depende da sua aplicação.
Figura 6. Sistema óptico LiDAR , simulado no LightTools
LightTools
Para o projeto de iluminação geral, painéis retroiluminados, LEDs e iluminação interna de veículos, o software de projeto de iluminação LightTools da Keysight modela e otimiza projetos de sistemas de iluminação.
Figura 7. Refletor FFD profundo , simulado no LucidShape
LucidShape
Para a modelagem do projeto e a simulação em tempo real da iluminação dianteira, traseira e de sinalização de veículos automotores, o software Keysight LucidShape oferece um conjunto completo de ferramentas de projeto, simulação e análise.
Ferramentas para dispositivos fotônicos da RSoft
Se você precisar simular seu sistema de lentes utilizando técnicas de traçado de raios e a escala de tamanho da geometria for menor, a troca de dados de campo entre simuladores, ou a simulação híbrida, pode ser a solução ideal. As ferramentas de dispositivos fotônicos da RSoft incluem uma interface para converter os resultados do CODE V e vice-versa.
Indo além do ray tracing
Módulos, recursos e ferramentas adicionais permitem abordar todos os aspectos do ray tracing, mesmo nos projetos mais complexos. O software da Keysight oferece a flexibilidade e os recursos adicionais de que os engenheiros precisam para otimizar seus projetos:
- Vastas bibliotecas integradas
- Modelagem de superfícies não sequencial para sistemas incomuns
- Simulação rápida de imagens 2D para visualizar o desempenho do sistema óptico
- Análise da luz difusa
- Otimização aprimorada do padrão de retroiluminação
- Recursos de design de forma livre para proporcionar um controle mais preciso sobre a difusão da luz
- Visualização aprimorada e imagens fotorrealistas precisas geradas por computador
Explore o software de soluções ópticas da Keysight
Utilize um poderoso software de ray tracing para modelar, simular e visualizar projetos ópticos.
Acesse recursos adicionais
Deseja ajuda ou tem dúvidas?