Che cosa sta cercando?
Che cos'è il ray tracing?
Definizione di ray tracing
Nel software di fotonica e ingegneria ottica, il ray tracing è una tecnica utilizzata per rappresentare la propagazione dei fronti d'onda elettromagnetici (ottici) attraverso un sistema. I raggi sono linee tracciate utilizzando punti discreti sulle superfici che rappresentano la posizione locale del fronte d'onda mentre si propaga attraverso un sistema ottico.
Questi raggi, perpendicolari al fronte d'onda locale, si propagano in linea retta attraverso mezzi omogenei. I raggi cambiano direzione ai confini di rifrazione secondo la legge di Snell e si riflettono ai confini secondo la legge della riflessione. Cambiano direzione alle interfacce di diffrazione secondo l'equazione vettoriale della diffrazione reticolare e all'interno di mezzi disomogenei tramite le equazioni che regolano i materiali a indice gradiente.
Quando i raggi interagiscono con superfici di diffusione, subiscono una modifica secondo le equazioni che regolano la diffusione. Ai raggi possono essere associate ulteriori proprietà, quali l'intensità, le proprietà di polarizzazione e il «percorso ottico» (il percorso fisico moltiplicato per l'indice di rifrazione del mezzo), e anche queste possono essere opportunamente modificate alle interfacce.
Figure 1 e 2. Esempi di tracciamento dei raggi attraverso un sistema ottico.
Indice dei contenuti
Quale problema risolve il ray tracing?
Grazie al ray tracing è possibile simulare il comportamento dei fronti d'onda ottici attraverso diversi mezzi. Il ray tracing consente di determinare la qualità dell'immagine renderizzata nei sistemi di formazione dell'immagine, la distribuzione della luce nei sistemi di illuminazione e molto altro ancora. Il ray tracing, combinato con l'ottimizzazione dei parametri del sistema ottico, può migliorare automaticamente le prestazioni di imaging o di illuminazione, consentendo di raggiungere gli obiettivi desiderati.
È possibile utilizzare i risultati del ray tracing per molteplici scopi diagnostici e analitici. Ad esempio, è possibile valutare la qualità dell'immagine di un obiettivo microscopico tracciando i raggi in senso inverso attraverso di esso, per verificare il grado di messa a fuoco della luce.
Figura 3. Sezione trasversale di un obiettivo per microscopio, che focalizza i raggi in punti situati sotto un vetrino coprioggetto.
Figura 4. La luce in asse viene focalizzata in modo molto preciso per i raggi tracciati attraverso l'obiettivo del microscopio.
Il cerchio nel disegno indica la dimensione del punto limitata dalla diffrazione. I punti indicano i punti di intersezione dei raggi tracciati fino al fuoco per diverse lunghezze d'onda (colori) della luce, in questo caso rosso, verde e blu. Questo tipo di grafico di intersezione — comunemente chiamato diagramma del punto — è uno strumento diagnostico di uso comune nella progettazione ottica.
È inoltre possibile ottimizzare il comportamento dei raggi tracciati per ottenere la distribuzione della luce o la dimensione del punto desiderate. Uno dei vantaggi del ray tracing all'interno di un software è che consente di parallelizzare ampiamente il processo (e di accelerarlo tramite altri metodi), rendendo possibili simulazioni molto più veloci di quanto sarebbe altrimenti possibile.
Nei software di imaging, per ottenere una simulazione accurata è sufficiente un numero relativamente ridotto di raggi (da 10 a 1000). L'obiettivo della progettazione dei sistemi di imaging è ottenere la migliore immagine possibile. I parametri di prestazione tipici sono la funzione di trasferimento di modulazione (MTF), la funzione di diffusione del punto e la dimensione dello spot.
Nel caso dei software di illuminazione, l'obiettivo è controllare la distribuzione della luce e in genere non si punta a generare un'immagine. In questo caso, occorrono molti più raggi, che solitamente vengono tracciati (da 1000 a milioni) tramite un processo chiamato simulazione Monte Carlo. Si definisce una sorgente luminosa, si tracciano milioni di raggi e si ottimizza il sistema per ottenere lo schema di illuminazione desiderato.
Perché il ray tracing è importante per la simulazione ottica?
Il ray tracing è un'importante tecnica di simulazione che si distingue per la sua precisione relativa (in molti casi) unita alla sua efficienza computazionale generale, rispetto a metodi più rigorosi di propagazione delle onde elettromagnetiche. È possibile combinare il ray tracing con altri algoritmi computazionali per simulare con maggiore accuratezza i fenomeni fisici.
Ad esempio, è possibile tracciare una griglia di raggi fino alla pupilla di uscita di un sistema ottico, indicando l'intensità (ampiezza**2) e la fase (percorso ottico) per ciascun raggio tracciato. Una trasformata di Fourier del campo complesso (ampiezza e fase) simulerà l'intensità della struttura dell'immagine, compresa la diffrazione.
Qual è la soluzione di ray tracing Keysight più adatta alle mie esigenze?
Figura 5. Vista 3D di un ricevitore ad ampio angolo, simulata in CODE V.
CODICE V
Nella progettazione di sistemi ottici, gli ingegneri necessitano di un software potente e affidabile per ottenere risultati rapidi e precisi. Progetti ottici affidabili e ottimizzati in tempi ridotti consentono di risparmiare tempo e denaro, contribuendo al successo economico della vostra azienda. La gamma di software di ray tracing di Keysight è stata sviluppata proprio con questo obiettivo e risponde all'esigenza di progetti ottici di qualità superiore. La scelta del software più adatto dipende dalla vostra applicazione.
Figura 6. Sistema ottico LiDAR , simulato in LightTools
LightTools
Per la progettazione di illuminazione generale, display retroilluminati, LED e illuminazione degli interni dei veicoli, il software di progettazione dell'illuminazione LightTools di Keysight modella e ottimizza i progetti dei sistemi di illuminazione.
Figura 7. Riflettore FFD profondo , simulato in LucidShape
LucidShape
Per la modellazione e la simulazione in tempo reale dei sistemi di illuminazione anteriore, posteriore e di segnalazione delle automobili, il software Keysight LucidShape offre una suite completa di strumenti di progettazione, simulazione e analisi.
Strumenti per dispositivi fotonici RSoft
Se è necessario simulare il proprio sistema ottico utilizzando tecniche di ray tracing e la scala geometrica è ridotta, lo scambio di dati tra simulatori o la simulazione ibrida potrebbero rappresentare la soluzione ideale. Gli strumenti per dispositivi fotonici di RSoft includono un'interfaccia per convertire i dati in uscita da CODE V e viceversa.
Oltre il ray tracing
Moduli, funzionalità e strumenti aggiuntivi consentono di gestire tutti gli aspetti del ray tracing anche nei progetti più complessi. Il software Keysight offre la flessibilità e le funzionalità aggiuntive di cui gli ingegneri hanno bisogno per ottimizzare i progetti:
- Ampie librerie integrate
- Modellazione superficiale non sequenziale per sistemi atipici
- Simulazione rapida di immagini 2D per visualizzare le prestazioni dei sistemi ottici
- Analisi della luce parassita
- Ottimizzazione avanzata della configurazione della retroilluminazione
- Funzionalità di progettazione libera per garantire un controllo più preciso sulla diffusione della luce
- Visualizzazione migliorata e immagini fotorealistiche accurate generate al computer
Scopri il software per soluzioni ottiche di Keysight
Utilizza un potente software di ray tracing per modellare, simulare e visualizzare progetti ottici.
Accedi a risorse aggiuntive
Volete aiuto o avete domande?