무엇을 찾고 있습니까?
레이 트레이싱이란 무엇인가요?
레이 트레이싱의 정의
포토닉스/광학 엔지니어링 소프트웨어에서 레이 트레이싱은 시스템을 통해 전자기(광학) 파면의 전파를 나타내는 데 사용되는 기술입니다. 레이는 광학 시스템을 통해 전파될 때 국부적인 파면 위치를 나타내는 표면의 이산점을 사용하여 구성된 선입니다.
국부적인 파면에 수직인 이 레이는 균질 매질을 통해 직선으로 이동합니다. 레이는 스넬의 법칙에 따라 굴절 경계에서 방향을 변경하고 반사의 법칙에 따라 경계에서 반사됩니다. 또한 벡터 격자 회절 방정식에 따라 회절 인터페이스에서 방향을 변경하며, 경사 지수 재료를 제어하는 방정식을 통해 불균질 매질 내에서도 방향을 변경합니다.
레이가 산란 표면과 상호 작용할 때, 산란을 제어하는 방정식에 따라 수정됩니다. 강도, 편광 특성 및 '광학 경로'(물리적 경로에 매질의 굴절률을 곱한 값)와 같은 추가 속성을 레이와 연결할 수 있으며, 이러한 속성 또한 인터페이스에서 적절하게 수정될 수 있습니다.
그림 1 및 2. 광학 시스템을 통한 레이 트레이싱 예시.
목차
레이 트레이싱은 어떤 문제를 해결합니까?
레이 트레이싱을 통해 다양한 매질을 통한 광학 파면의 동작을 시뮬레이션할 수 있습니다. 레이 트레이싱은 이미지 형성 시스템을 위한 렌더링된 이미지의 품질, 조명 시스템을 위한 빛의 분포 등을 결정할 수 있게 합니다. 레이 트레이싱은 광학 시스템 매개변수 최적화와 결합되어 원하는 목표를 달성하기 위해 이미징 또는 조명 성능을 자동으로 개선할 수 있습니다.
레이 트레이싱 결과는 다양한 진단 및 분석 목적으로 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 현미경 대물렌즈를 통해 빛이 얼마나 잘 초점을 맞추는지 확인하기 위해 역방향으로 레이를 추적하여 현미경 대물렌즈의 이미지 품질 크기를 추정할 수 있습니다.
그림 3. 현미경 대물렌즈의 단면도, 커버 글라스 아래 지점에 광선을 집중시킵니다.
그림 4. 현미경 대물렌즈를 통해 추적된 광선은 축상에서 정밀하게 초점을 맞춥니다.
도면의 원은 회절 한계 스폿 크기를 나타냅니다. 점들은 이 경우 빨간색, 녹색, 파란색과 같이 서로 다른 파장(색상)의 빛에 대해 초점으로 추적된 광선의 교차점을 보여줍니다. 일반적으로 스폿 다이어그램이라고 불리는 이러한 유형의 교차 플롯은 광학 설계에 사용되는 일반적인 진단 도구입니다.
추적된 광선의 동작을 최적화하여 원하는 광 분포 또는 스폿 크기를 달성할 수도 있습니다. 소프트웨어 내에서 광선 추적의 이점은 프로세스를 고도로 병렬화(및 다른 방법을 통해 속도 향상)하여 다른 방법으로는 불가능했을 훨씬 빠른 시뮬레이션을 가능하게 한다는 것입니다.
이미징 소프트웨어에서는 정확한 시뮬레이션을 위해 비교적 적은 수의 광선(10~1000개 광선)이 필요합니다. 이미징 시스템 설계의 목표는 가능한 최고의 이미지를 얻는 것입니다. 일반적인 성능 지표는 변조 전달 함수(MTF), 점 확산 함수 및 스폿 크기입니다.
조명 소프트웨어의 경우, 광 분포를 제어하려고 하며 일반적으로 이미지 형성에 대해서는 신경 쓰지 않습니다. 이 경우, 몬테카를로 시뮬레이션이라는 프로세스를 사용하여 일반적으로 훨씬 더 많은 광선(1000개에서 수백만 개)을 추적해야 합니다. 광원을 정의하고 수백만 개의 광선을 추적하며 원하는 조명 패턴을 만들기 위해 시스템을 최적화합니다.
광학 시뮬레이션에서 광선 추적이 중요한 이유는 무엇입니까?
광선 추적은 전자기파 전파의 보다 엄격한 방법과 비교하여 상대적인 정확성(많은 상황에서)과 일반적인 계산 효율성을 기반으로 하는 중요한 시뮬레이션 기술입니다. 광선 추적을 다른 계산 알고리즘과 결합하여 물리적 현상을 보다 정확하게 시뮬레이션할 수 있습니다.
예를 들어, 각 광선에 대해 추적된 강도(진폭**2) 및 위상(광 경로)을 사용하여 광선 그리드를 광학 시스템의 출구 동공으로 추적할 수 있습니다. 복소 필드(진폭 및 위상)의 푸리에 변환은 회절을 포함한 이미지 구조의 강도를 시뮬레이션합니다.
어떤 키사이트 광선 추적 솔루션이 적합합니까?
그림 5. CODE V에서 시뮬레이션된 광각 수신기의 3D 뷰.
CODE V
광학 시스템을 설계할 때 엔지니어는 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 강력하고 견고한 소프트웨어가 필요합니다. 더 짧은 시간에 최적화된 신뢰할 수 있는 광학 설계는 시간과 비용을 절약하고 회사의 수익을 유지합니다. 키사이트의 광선 추적 소프트웨어 포트폴리오는 이러한 점을 염두에 두고 개발되었으며, 우수한 광학 설계에 대한 요구 사항을 충족합니다. 올바른 소프트웨어 선택은 애플리케이션에 따라 달라집니다.
그림 6. LightTools에서 시뮬레이션된 LiDAR 광학 시스템
LightTools
일반 조명, 백라이트 디스플레이, LED 및 차량 내부 조명 설계를 위해 키사이트 LightTools 조명 설계 소프트웨어는 조명 시스템 설계를 모델링하고 최적화합니다.
그림 7. LucidShape에서 시뮬레이션된 Deep FFD 반사경
LucidShape
자동차 전방, 후방 및 신호 조명의 설계 모델링 및 실시간 시뮬레이션을 위해 키사이트 LucidShape 소프트웨어는 완벽한 설계, 시뮬레이션 및 분석 도구 세트를 제공합니다.
RSoft 광자 디바이스 툴
렌즈 시스템을 레이 트레이싱 기법으로 시뮬레이션해야 하고 기하학적 크기 스케일이 더 작거나, 시뮬레이터 간 필드 데이터를 전달하거나, 하이브리드 시뮬레이션을 수행해야 하는 경우 이상적일 수 있습니다. RSoft 광자 디바이스 툴에는 CODE V의 출력을 변환하고 그 반대로도 변환할 수 있는 인터페이스가 포함되어 있습니다.
레이 트레이싱을 넘어서
추가 모듈, 기능 및 툴을 통해 가장 까다로운 설계에서도 레이 트레이싱의 모든 측면을 처리할 수 있습니다. 키사이트 소프트웨어는 엔지니어가 설계를 최적화하는 데 필요한 유연성과 추가 기능을 제공합니다.
- 광범위한 내장 라이브러리
- 특이 시스템을 위한 비순차 표면 모델링
- 광학 시스템 성능 시각화를 위한 빠른 2D 이미지 시뮬레이션
- 산란광 분석
- 향상된 백라이트 패턴 최적화
- 광 확산에 대한 보다 세밀한 제어를 제공하는 자유형 설계 기능
- 향상된 시각화 및 정확한 사실적 컴퓨터 생성 이미지
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