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レイトレーシングとは？
レイトレーシングの定義
フォトニクス/光学エンジニアリングソフトウェアにおいて、レイトレーシングは、電磁（光）波面のシステム内での伝播を表現するために使用される手法です。光線は、光学システムを伝播する際の局所的な波面位置を表す表面上の離散点を使用して構築された線です。
これらの光線は、局所的な波面に垂直であり、均質な媒体中を直線的に進みます。光線は、スネルの法則に従って屈折境界で方向を変え、反射の法則に従って境界で反射します。また、ベクトル回折格子回折方程式に従って回折界面で方向を変え、勾配屈折率材料を支配する方程式によって不均質な媒体内で方向を変えます。
光線が散乱面と相互作用する際、それらは散乱を支配する方程式に従って変更されます。光線には、強度、偏光特性、および「光路」（物理的な経路に媒体の屈折率を乗じたもの）などの追加の特性を関連付けることができ、これらは界面でも適切に変更できます。
図1および図2。光学システムを通した光線追跡の例。
目次
光線追跡はどのような問題を解決しますか？
光線追跡を用いることで、様々な媒体を通過する光波面の挙動をシミュレートすることが可能です。光線追跡により、結像システムにおけるレンダリング画像の品質、照明システムにおける光の分布などを決定することができます。光線追跡は、光学システムパラメータの最適化と組み合わせることで、所望の目標を達成するために、結像または照明性能を自動的に向上させることができます。
光線追跡の結果は、多くの診断および解析目的に使用できます。例えば、顕微鏡対物レンズの像品質のサイズを推定するには、光線がどの程度集束するかを確認するために、逆方向に光線を追跡します。
図3。顕微鏡対物レンズの断面図、カバーガラス下の点に光線を集束。
図4。顕微鏡対物レンズを通して追跡された光線の場合、軸上の光は厳密に集束します。
図中の円は、回折限界スポットサイズを示します。点は、異なる波長（色）の光（この場合は赤、緑、青）に対して集束するように追跡された光線の交点を示しています。この種のインターセプトプロット（一般にスポットダイアグラムと呼ばれる）は、光学設計で用いられる一般的な診断ツールです。
追跡された光線の挙動を最適化して、所望の光分布またはスポットサイズを達成することもできます。ソフトウェア内での光線追跡の利点は、プロセスを高度に並列化できる（および他の方法で高速化できる）ため、通常よりもはるかに高速なシミュレーションが可能になることです。
結像ソフトウェアでは、正確なシミュレーションには比較的少数の光線（10～1000本）が必要です。結像システムを設計する目的は、可能な限り最高の画像を得ることです。一般的な性能指標は、変調伝達関数（MTF）、点像分布関数、およびスポットサイズです。
照明ソフトウェアでは、光の分布を制御しようとしており、通常は画像を形成することには関心がありません。この場合、モンテカルロシミュレーションと呼ばれるプロセスで、通常は（1000本から数百万本）はるかに多くの光線を追跡する必要があります。光源を定義し、数百万本の光線を追跡し、システムを最適化して所望の照明パターンを作成します。
光学シミュレーションにとって光線追跡が重要な理由
光線追跡は、電磁波を伝播させるより厳密な方法と比較して、その相対的な精度（多くの状況で）と一般的な計算効率を兼ね備えているため、重要なシミュレーション技術です。光線追跡を他の計算アルゴリズムと組み合わせることで、物理現象をより正確にシミュレートできます。
例えば、各光線について追跡された強度（振幅**2）と位相（光路）を用いて、光学システムの射出瞳に光線のグリッドを追跡できます。複素場（振幅と位相）のフーリエ変換は、回折を含む画像構造の強度をシミュレートします。
どのキーサイト光線追跡ソリューションが最適ですか？
図5。CODE Vでシミュレートされた広角レシーバーの3Dビュー。
CODE V
光学システムを設計する際、エンジニアは高速かつ正確な結果を得るために、強力で堅牢なソフトウェアを必要とします。短時間で最適化された信頼性の高い光学設計は、時間とコストを節約し、企業の収益を維持します。キーサイトの光線追跡ソフトウェアポートフォリオは、この点を念頭に置いて開発されており、優れた光学設計のニーズに対応します。適切なソフトウェアの選択は、お客様のアプリケーションによって異なります。
図6. LiDAR光学システム、LightToolsでシミュレーション
LightTools
一般照明、バックライトディスプレイ、LED、車両内装照明の設計向けに、キーサイトのLightToolsイルミネーション設計ソフトウェアは、照明システム設計のモデリングと最適化を行います。
図7. Deep FFDリフレクタ、LucidShapeでシミュレーション
LucidShape
車載用前方、後方、および信号照明の設計モデリングとリアルタイムシミュレーション向けに、キーサイトのLucidShapeソフトウェアは、設計、シミュレーション、解析ツールの完全なセットを提供します。
RSoftフォトニックデバイスツール
レンズシステムを光線追跡技術でシミュレーションする必要があり、幾何学的サイズスケールが小さい場合、シミュレータ間でフィールドデータを渡すことや、ハイブリッドシミュレーションが理想的かもしれません。RSoftフォトニックデバイスツールには、CODE Vからの出力を変換するインターフェースが含まれており、その逆も可能です。
光線追跡のその先へ
追加のモジュール、機能、ツールにより、最も困難な設計であっても光線追跡のあらゆる側面に対応できます。キーサイトのソフトウェアは、エンジニアが設計を最適化するために必要な柔軟性と追加機能を備えています。
- 豊富な内蔵ライブラリ
- 特殊なシステム向けの非シーケンシャル表面モデリング
- 光学システム性能を視覚化するための高速2D画像シミュレーション
- 迷光解析
- 強化されたバックライトパターン最適化
- 光の広がりをよりきめ細かく制御するための自由曲面設計機能
- 強化された視覚化と正確なフォトリアリスティックなコンピューター生成画像
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