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Was ist Raytracing?
Definition von Raytracing
In der Photonik-/Optik-Engineering-Software ist Raytracing eine Technik zur Darstellung der Ausbreitung elektromagnetischer (optischer) Wellenfronten durch ein System. Strahlen sind Linien, die aus diskreten Punkten auf Oberflächen konstruiert werden, welche die lokale Position der Wellenfront während ihrer Ausbreitung durch ein optisches System repräsentieren.
Diese Strahlen, die senkrecht zur lokalen Wellenfront verlaufen, breiten sich in homogenen Medien geradlinig aus. An Brechungsgrenzflächen ändern sie ihre Richtung gemäß dem Snelliusschen Brechungsgesetz und werden an Grenzflächen gemäß dem Reflexionsgesetz reflektiert. An Beugungsgrenzflächen ändern sie ihre Richtung gemäß der Vektorgitter-Beugungsgleichung und in inhomogenen Medien gemäß den Gleichungen, die für Gradientenindexmaterialien gelten.
Wenn Lichtstrahlen auf streuende Oberflächen treffen, werden sie gemäß den Streugleichungen verändert. Zusätzliche Eigenschaften wie Intensität, Polarisationseigenschaften und der optische Weg (der physikalische Weg multipliziert mit dem Brechungsindex des Mediums) können den Strahlen zugeordnet werden und lassen sich an Grenzflächen ebenfalls entsprechend anpassen.
Abbildungen 1 und 2. Beispiele für die Verfolgung von Lichtstrahlen durch ein optisches System.
Inhaltsübersicht
Welches Problem löst Raytracing?
Mithilfe von Raytracing lässt sich das Verhalten optischer Wellenfronten in verschiedenen Medien simulieren. Raytracing ermöglicht die Bestimmung der Bildqualität für bildgebende Systeme, der Lichtverteilung für Beleuchtungssysteme und vieles mehr. In Kombination mit der Optimierung der optischen Systemparameter kann Raytracing die Bildgebungs- oder Beleuchtungsleistung automatisch verbessern und so die gewünschten Ziele erreichen.
Die Ergebnisse der Strahlverfolgung lassen sich für viele Diagnose- und Analysezwecke nutzen. Beispielsweise kann man die Bildqualität eines Mikroskopobjektivs abschätzen, indem man die Lichtstrahlen rückwärts durch das Objektiv verfolgt, um zu sehen, wie gut das Licht fokussiert wird.
Abbildung 3. Schnittansicht eines Mikroskopobjektivs, das Lichtstrahlen an Punkten unter einem Deckglas fokussiert.
Abbildung 4. Licht auf der optischen Achse wird für Strahlen, die durch das Mikroskopobjektiv verfolgt werden, in einem engen Fokus gebündelt.
Der Kreis in der Zeichnung markiert den beugungsbegrenzten Brennfleck. Die Punkte zeigen die Schnittpunkte der Lichtstrahlen, die für verschiedene Wellenlängen (Farben) des Lichts – in diesem Fall Rot, Grün und Blau – auf den Brennpunkt gerichtet sind. Diese Art von Schnittpunktdiagramm – auch Brennfleckdiagramm genannt – ist ein gängiges Diagnosewerkzeug in der optischen Konstruktion.
Sie können das Verhalten der berechneten Strahlen optimieren, um eine gewünschte Lichtverteilung oder Spotgröße zu erzielen. Ein Vorteil der Strahlverfolgung in Software ist die Möglichkeit, den Prozess stark zu parallelisieren (und ihn durch andere Methoden zu beschleunigen), wodurch deutlich schnellere Simulationen möglich sind.
In Bildverarbeitungssoftware reichen für eine präzise Simulation relativ wenige Strahlen aus (10–1000). Ziel der Entwicklung von Bildgebungssystemen ist die bestmögliche Bildqualität. Typische Leistungskennzahlen sind die Modulationsübertragungsfunktion (MTF), die Punktspreizfunktion und die Spotgröße.
Bei Beleuchtungssoftware geht es darum, die Lichtverteilung zu steuern und nicht primär um die Bilderzeugung. In diesem Fall benötigt man deutlich mehr Lichtstrahlen, die man üblicherweise (1000 bis Millionen) mithilfe einer Monte-Carlo-Simulation berechnet. Man definiert eine Lichtquelle, berechnet Millionen von Lichtstrahlen und optimiert das System, um das gewünschte Beleuchtungsmuster zu erzeugen.
Warum ist Raytracing für die optische Simulation wichtig?
Raytracing ist eine wichtige Simulationstechnik, die sich durch ihre relative Genauigkeit (in vielen Situationen) und ihre hohe Recheneffizienz im Vergleich zu aufwändigeren Methoden der elektromagnetischen Wellenausbreitung auszeichnet. Raytracing lässt sich mit anderen Rechenalgorithmen kombinieren, um physikalische Phänomene präziser zu simulieren.
Man kann beispielsweise ein Raster von Strahlen zur Austrittspupille eines optischen Systems verfolgen, wobei für jeden Strahl die Intensität (Amplitude²) und die Phase (optischer Weg) erfasst werden. Eine Fourier-Transformation des komplexen Feldes (Amplitude und Phase) simuliert die Intensität der Bildstruktur einschließlich der Beugung.
Welche Keysight Raytracing-Lösung ist die richtige für mich?
Abbildung 5. 3D-Ansicht eines Weitwinkelempfängers, simuliert in CODE V.
CODE V
Bei der Entwicklung optischer Systeme benötigen Ingenieure leistungsstarke und robuste Software, um schnell und präzise Ergebnisse zu erzielen. Zuverlässige, in kürzerer Zeit optimierte optische Designs sparen Zeit und Geld und sichern den Unternehmenserfolg. Keysights Portfolio an Raytracing-Software wurde genau für diesen Zweck entwickelt und erfüllt die Anforderungen an überlegene optische Designs. Die Wahl der passenden Software hängt von Ihrer Anwendung ab.
Abbildung 6. Optisches LiDAR-System, simuliert in LightTools
LightTools
Für die Planung von Allgemeinbeleuchtung, hintergrundbeleuchteten Displays, LEDs und Fahrzeuginnenbeleuchtung modelliert und optimiert die Beleuchtungsdesign-Software Keysight LightTools Beleuchtungssysteme.
Abbildung 7. Tiefer FFD-Reflektor, simuliert in LucidShape
LucidShape
Für die Modellierung des Designs und die Echtzeitsimulation der Front-, Rück- und Signalbeleuchtung von Kraftfahrzeugen bietet die Keysight LucidShape Software einen kompletten Satz von Design-, Simulations- und Analysewerkzeugen.
RSoft Photonic Device Tools
Wenn Sie Ihr Linsensystem mithilfe von Raytracing-Verfahren simulieren müssen und der geometrische Maßstab kleiner ist, kann die Übertragung von Felddaten zwischen Simulatoren oder eine Hybridsimulation ideal sein. Die RSoft Photonic Device Tools bieten eine Schnittstelle zur Konvertierung der Ausgabe von CODE V und umgekehrt.
Jenseits des Raytracing
Zusätzliche Module, Funktionen und Werkzeuge ermöglichen alle Aspekte des Raytracing, selbst für die anspruchsvollsten Konstruktionen. Die Keysight-Software bietet die Flexibilität und die zusätzlichen Funktionen, die Ingenieure zur Optimierung ihrer Konstruktionen benötigen:
- Umfangreiche integrierte Bibliotheken
- Nicht-sequentielle Oberflächenmodellierung für ungewöhnliche Systeme
- Schnelle 2D-Bildsimulation zur Visualisierung der Leistung optischer Systeme
- Streulichtanalyse
- Verbesserte Optimierung des Hintergrundbeleuchtungsmusters
- Freiform-Designmöglichkeiten für eine feinere Steuerung der Lichtverteilung
- Verbesserte Visualisierung und präzise fotorealistische computergenerierte Bilder
Entdecken Sie die Keysight Optical Solutions Software
Nutzen Sie leistungsstarke Raytracing-Software, um optische Designs zu modellieren, zu simulieren und zu visualisieren.
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