Que recherchez-vous ?
Qu'est-ce que le ray tracing ?
Définition du lancer de rayons
Dans les logiciels de photonique et d'ingénierie optique, le lancer de rayons est une technique utilisée pour représenter la propagation des fronts d'onde électromagnétiques (optiques) à travers un système. Les rayons sont des lignes tracées à partir de points discrets situés sur des surfaces, qui représentent la position locale du front d'onde au fur et à mesure de sa propagation à travers un système optique.
Ces rayons, qui sont perpendiculaires au front d'onde local, se propagent en ligne droite dans des milieux homogènes. Ils changent de direction aux limites de réfraction conformément à la loi de Snell et se réfléchissent aux limites conformément à la loi de la réflexion. Ils changent de direction aux interfaces de diffraction selon l'équation de diffraction des réseaux vectoriels et, dans les milieux non homogènes, selon les équations qui régissent les matériaux à indice gradient.
Lorsque les rayons interagissent avec des surfaces de diffusion, leur trajectoire est modifiée selon les équations qui régissent la diffusion. D'autres propriétés peuvent être associées aux rayons, telles que l'intensité, les propriétés de polarisation et le « chemin optique » (la distance physique multipliée par l'indice de réfraction du milieu), et celles-ci peuvent également être modifiées de manière appropriée aux interfaces.
Figures 1 et 2. Exemples de tracé des rayons à travers un système optique.
Table des matières
Quel problème le ray tracing permet-il de résoudre ?
Grâce au lancer de rayons, il est possible de simuler le comportement des fronts d'onde optiques à travers divers milieux. Le lancer de rayons permet de déterminer la qualité de l'image rendue pour les systèmes de formation d'images, la répartition de la lumière pour les systèmes d'éclairage, et bien plus encore. Associé à l'optimisation des paramètres du système optique, le lancer de rayons peut améliorer automatiquement les performances d'imagerie ou d'éclairage, afin d'atteindre les objectifs souhaités.
Les résultats du lancer de rayons peuvent être utilisés à de nombreuses fins de diagnostic et d'analyse. Par exemple, vous pouvez évaluer la qualité d'image d'un objectif de microscope en effectuant un lancer de rayons à rebours à travers celui-ci, afin de déterminer la qualité de la focalisation de la lumière.
Figure 3. Vue en coupe d'un objectif de microscope, focalisant les rayons sur des points situés sous une lamelle.
Figure 4. La lumière incidente sur l'axe se concentre en un point très précis lorsque l'on trace les rayons à travers l'objectif du microscope.
Le cercle sur le schéma représente la taille du spot limitée par la diffraction. Les points indiquent les points d'intersection des rayons tracés jusqu'au foyer pour différentes longueurs d'onde (couleurs) de la lumière, en l'occurrence le rouge, le vert et le bleu. Ce type de diagramme d'intersection — communément appelé « diagramme de spot » — est un outil de diagnostic couramment utilisé en conception optique.
Vous pouvez également optimiser le comportement des rayons tracés afin d'obtenir la répartition de la lumière ou la taille de spot souhaitées. L'un des avantages du lancer de rayons dans un logiciel réside dans la possibilité de paralléliser fortement le processus (et de l'accélérer par d'autres moyens), ce qui permet d'obtenir des simulations bien plus rapides que ce qui serait possible autrement.
Dans les logiciels d'imagerie, un nombre relativement faible de rayons suffit pour obtenir une simulation précise (entre 10 et 1 000 rayons). La conception des systèmes d'imagerie a pour objectif d'obtenir la meilleure image possible. Les indicateurs de performance habituels sont la fonction de transfert de modulation (MTF), la fonction d'étalement ponctuel et la taille du spot.
Dans le cas des logiciels d'éclairage, l'objectif est de contrôler la répartition de la lumière, sans se soucier en général de la formation d'une image. Dans ce cas, il faut un nombre bien plus important de rayons (de 1 000 à plusieurs millions), que l'on trace généralement à l'aide d'un procédé appelé « simulation de Monte Carlo ». On définit une source lumineuse, on trace des millions de rayons, puis on optimise le système pour obtenir le schéma d'éclairage souhaité.
Pourquoi le ray tracing est-il important pour la simulation optique ?
Le lancer de rayons est une technique de simulation importante qui se distingue par sa précision relative (dans de nombreux cas) et son efficacité de calcul, par rapport à des méthodes plus rigoureuses de propagation des ondes électromagnétiques. Il est possible de combiner le lancer de rayons avec d'autres algorithmes de calcul afin de simuler plus fidèlement les phénomènes physiques.
Par exemple, vous pouvez tracer un réseau de rayons jusqu'à la pupille de sortie d'un système optique avec l'intensité (amplitude**2) et la phase (chemin optique) suivies pour chaque rayon. Une transformée de Fourier du champ complexe (amplitude et phase) simulera l'intensité de la structure de l'image, y compris la diffraction.
Quelle solution de ray tracing Keysight me convient le mieux ?
Figure 5. Vue en 3D d'un récepteur à large angle, simulée dans CODE V.
CODE V
Lors de la conception de systèmes optiques, les ingénieurs ont besoin d’un logiciel puissant et robuste pour obtenir des résultats rapides et précis. Des conceptions optiques fiables, optimisées en moins de temps, permettent de gagner du temps et de l’argent, et contribuent à la rentabilité de votre entreprise. La gamme de logiciels de traçage de rayons de Keysight a été développée dans cette optique et répond au besoin de conceptions optiques de qualité supérieure. Le choix du logiciel approprié dépend de votre application.
Figure 6. Système optique LiDAR , simulé dans LightTools
LightTools
Pour la conception d'éclairages généraux, d'écrans rétroéclairés, de LED et d'éclairages intérieurs de véhicules, le logiciel de conception d'éclairage LightTools de Keysight permet de modéliser et d'optimiser les systèmes d'éclairage.
Figure 7. Réflecteur FFD profond , simulé dans LucidShape
LucidShape
Pour la modélisation et la simulation en temps réel des feux avant, arrière et de signalisation des véhicules automobiles, le logiciel Keysight LucidShape offre un ensemble complet d'outils de conception, de simulation et d'analyse.
RSoft Photonic Device Tools
Si vous devez simuler votre système optique à l'aide de techniques de lancer de rayons et que l'échelle géométrique est réduite, le transfert de données de champ entre simulateurs, ou la simulation hybride, peut s'avérer la solution idéale. Les outils de dispositifs photoniques RSoft intègrent une interface permettant de convertir les données de sortie de CODE V, et inversement.
Au-delà du ray tracing
Des modules, fonctionnalités et outils supplémentaires permettent de prendre en charge tous les aspects du ray tracing, même pour les conceptions les plus complexes. Les logiciels Keysight offrent la flexibilité et les fonctionnalités supplémentaires dont les ingénieurs ont besoin pour optimiser leurs conceptions :
- Vastes bibliothèques intégrées
- Modélisation de surface non séquentielle pour des systèmes atypiques
- Simulation rapide d'images en 2D pour visualiser les performances d'un système optique
- Analyse de la lumière parasite
- Optimisation améliorée du motif de rétroéclairage
- Des capacités de conception libre permettant un contrôle plus précis de la diffusion de la lumière
- Une visualisation améliorée et des images de synthèse photoréalistes précises
Découvrez les logiciels de solutions optiques Keysight
Utilisez un logiciel de ray tracing performant pour modéliser, simuler et visualiser des conceptions optiques.
Accéder à des ressources supplémentaires
Vous avez besoin d'aide ou vous avez des questions ?