¿Qué busca?
¿Qué es el trazado de rayos?
Definición de trazado de rayos
En el software de fotónica e ingeniería óptica, el trazado de rayos es una técnica que se utiliza para representar la propagación de frentes de onda electromagnéticos (ópticos) a través de un sistema. Los rayos son líneas construidas a partir de puntos discretos situados en superficies que representan la posición local del frente de onda a medida que se propaga a través de un sistema óptico.
Estos rayos, que son perpendiculares al frente de onda local, se propagan en línea recta a través de medios homogéneos. Los rayos cambiarán de dirección en los límites de refracción según la ley de Snell y se reflejarán en los límites según la ley de la reflexión. Cambiarán de dirección en las interfaces difractivas de acuerdo con la ecuación de difracción de la rejilla vectorial y, dentro de medios no homogéneos, mediante ecuaciones que rigen los materiales de índice gradiente.
Cuando los rayos interactúan con superficies difusoras, se modifican según las ecuaciones que rigen la difusión. A los rayos se les pueden atribuir propiedades adicionales, como la intensidad, las propiedades de polarización y la «trayectoria óptica» (la trayectoria física multiplicada por el índice de refracción del medio), y estas también pueden modificarse adecuadamente en las interfaces.
Figuras 1 y 2. Ejemplos de trazado de rayos a través de un sistema óptico.
Índice
¿Qué problema resuelve el trazado de rayos?
Gracias al trazado de rayos, es posible simular el comportamiento de los frentes de onda ópticos a través de diversos medios. El trazado de rayos permite determinar la calidad de la imagen renderizada en los sistemas de formación de imágenes, la distribución de la luz en los sistemas de iluminación y mucho más. El trazado de rayos, combinado con la optimización de los parámetros del sistema óptico, puede mejorar automáticamente el rendimiento de la imagen o la iluminación para alcanzar los objetivos deseados.
Los resultados del trazado de rayos se pueden utilizar con fines de diagnóstico y análisis. Por ejemplo, se puede estimar la calidad de imagen de un objetivo de microscopio trazando los rayos a través de él en sentido inverso, para comprobar cómo se enfoca la luz.
Figura 3. Vista en corte de un objetivo de microscopio, que enfoca los rayos en puntos situados bajo un cubreobjetos.
Figura 4. La luz que incide en el eje se concentra en un punto muy pequeño cuando se trazan los rayos a través del objetivo del microscopio.
El círculo del dibujo representa el tamaño del punto limitado por difracción. Los puntos indican las intersecciones de los rayos trazados hasta el foco para diferentes longitudes de onda (colores) de la luz, en este caso el rojo, el verde y el azul. Este tipo de gráfico de intersecciones —comúnmente denominado «diagrama de puntos»— es una herramienta de diagnóstico habitual en el diseño óptico.
También puedes optimizar el comportamiento de los rayos trazados para conseguir la distribución de la luz o el tamaño del punto deseados. Una de las ventajas del trazado de rayos en el software es que permite paralelizar en gran medida el proceso (y acelerarlo mediante otros métodos), lo que da lugar a simulaciones mucho más rápidas de lo que sería posible de otro modo.
En los programas de procesamiento de imágenes, se necesita un número relativamente reducido de rayos para obtener una simulación precisa (entre 10 y 1000 rayos). El objetivo del diseño de los sistemas de imagen es conseguir la mejor imagen posible. Los parámetros de rendimiento habituales son la función de transferencia de modulación (MTF), la función de extensión de punto y el tamaño del punto.
En el caso del software de iluminación, lo que se busca es controlar la distribución de la luz y, por lo general, no se trata de generar una imagen. En este caso, se necesitan muchos más rayos, que normalmente se trazan (desde 1000 hasta millones) mediante un proceso denominado «simulación de Monte Carlo». Se define una fuente de luz, se trazan millones de rayos y se optimiza el sistema para obtener el patrón de iluminación deseado.
¿Por qué es importante el trazado de rayos para la simulación óptica?
El trazado de rayos es una técnica de simulación importante debido a su precisión relativa (en muchos casos), combinada con su eficiencia computacional general, en comparación con métodos más rigurosos de propagación de ondas electromagnéticas. El trazado de rayos se puede combinar con otros algoritmos computacionales para simular fenómenos físicos con mayor precisión.
Por ejemplo, se puede trazar una rejilla de rayos hasta la pupila de salida de un sistema óptico, indicando la intensidad (amplitud**2) y la fase (trayectoria óptica) de cada rayo seguido. Una transformada de Fourier del campo complejo (amplitud y fase) simulará la intensidad de la estructura de la imagen, incluida la difracción.
¿Qué solución de trazado de rayos de Keysight es la más adecuada para mí?
Figura 5. Vista en 3D de un receptor de ángulo amplio, simulada en CODE V.
CÓDIGO V
A la hora de diseñar sistemas ópticos, los ingenieros necesitan un software potente y robusto para obtener resultados rápidos y precisos. Unos diseños ópticos fiables y optimizados en menos tiempo permiten ahorrar tiempo y dinero, y contribuyen a mejorar los resultados de su empresa. La gama de software de trazado de rayos de Keysight se ha desarrollado teniendo esto en cuenta y responde a la necesidad de contar con diseños ópticos de calidad superior. La elección del software adecuado depende de su aplicación.
Figura 6. Sistema óptico LiDAR , simulado en LightTools
Herramientas de luz
Para el diseño de iluminación general, pantallas retroiluminadas, LED e iluminación interior de vehículos, el software de diseño de iluminación LightTools de Keysight permite modelar y optimizar los diseños de los sistemas de iluminación.
Figura 7. Reflector FFD profundo , simulado en LucidShape
LucidShape
Para el modelado del diseño y la simulación en tiempo real de la iluminación delantera, trasera y de señalización de los vehículos, el software LucidShape de Keysight ofrece un conjunto completo de herramientas de diseño, simulación y análisis.
Herramientas para dispositivos fotónicos de RSoft
Si necesita simular su sistema de lentes utilizando técnicas de trazado de rayos y la escala de la geometría es reducida, lo ideal podría ser intercambiar datos de campo entre simuladores o realizar una simulación híbrida. Las herramientas para dispositivos fotónicos de RSoft incluyen una interfaz para convertir los resultados de CODE V y viceversa.
Más allá del trazado de rayos
Los módulos, funciones y herramientas adicionales permiten abordar todos los aspectos del trazado de rayos, incluso en los diseños más complejos. El software de Keysight ofrece la flexibilidad y las funciones adicionales que los ingenieros necesitan para optimizar sus diseños:
- Amplias bibliotecas integradas
- Modelado de superficies no secuencial para sistemas atípicos
- Simulación rápida de imágenes en 2D para visualizar el rendimiento de los sistemas ópticos
- Análisis de la luz parásita
- Optimización mejorada del patrón de retroiluminación
- Capacidades de diseño de forma libre que permiten un control más preciso de la distribución de la luz
- Visualización mejorada e imágenes fotorrealistas generadas por ordenador de gran precisión
Descubre el software de soluciones ópticas de Keysight
Utiliza un potente software de trazado de rayos para modelar, simular y visualizar diseños ópticos.
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