什麼是光線追蹤？
光線追蹤的定義
在光子學/光學工程軟體中，光線追蹤是一種用於表示電磁（光學）波前通過系統傳播的技術。光線是使用表面上的離散點建構的線，這些點代表波前通過光學系統傳播時的局部位置。
這些射線垂直於局部波前，在均勻介質中沿直線傳播。射線將根據司乃耳定律在折射邊界處改變方向，並根據反射定律在邊界處反射。它們將根據向量光柵繞射方程式在繞射介面處改變方向，並根據控制梯度折射率材料的方程式在非均勻介質中改變方向。
當光線與散射表面相互作用時，它們將根據控制散射的方程式進行修改。光線還可以與其他屬性相關聯，例如強度、偏振特性和「光程」（物理路徑乘以介質的折射率），這些屬性也可以在介面處進行適當修改。
圖 1 和圖 2. 光線穿過光學系統的追蹤範例。
目錄
光線追蹤解決了什麼問題？
透過光線追蹤，可模擬光波前穿過各種介質的行為。光線追蹤可判斷成像系統中渲染影像的品質、照明系統中的光線分佈，以及更多功能。光線追蹤結合光學系統參數最佳化，可自動改善成像或照明效能，以達成預期目標。
您可以將光線追蹤結果用於多種診斷和分析目的。例如，您可以透過反向追蹤穿過顯微鏡物鏡的射線，來估計其成像品質的大小，以觀察光線聚焦的程度。
圖 3。顯微鏡物鏡的剖面圖，將光線聚焦在蓋玻片下的點。
圖 4。軸上光線穿過顯微鏡物鏡後，會緊密聚焦。
圖中的圓圈表示繞射極限光點尺寸。這些點顯示了針對不同光波長（顏色，此處為紅色、綠色和藍色）追蹤到焦點的光線交點。這種截距圖（通常稱為光點圖）是光學設計中常用的診斷工具。
您還可以最佳化追蹤射線的行為，以實現所需的光分佈或光斑尺寸。軟體內光線追蹤的一個優勢是，您可以高度平行化此過程（並透過其他方法加速），從而實現比其他方式快得多的模擬。
在影像軟體中，只需相對少量的光線即可進行精確模擬（10 – 1000 條光線）。設計影像系統的目標是獲得最佳影像。典型的性能指標包括調變傳輸函數 (MTF)、點擴散函數和光斑尺寸。
對於照明軟體，您嘗試控制光的分布，通常不關心成像。在這種情況下，您需要更多光線，通常透過稱為蒙地卡羅模擬的程序追蹤（1000 到數百萬條）。您定義光源、追蹤數百萬條光線，並最佳化系統以產生所需的照明圖案。
為何光線追蹤對光學模擬很重要？
光線追蹤是一種重要的模擬技術，其優勢在於相對準確性（適用於許多情況）以及普遍的計算效率，相較於更嚴謹的電磁波傳播方法。您可以將光線追蹤與其他計算演算法結合，以更準確地模擬物理現象。
例如，您可以將光線網格追蹤至光學系統的出射瞳，並追蹤每條光線的強度（振幅平方）和相位（光程）。對複數場（振幅和相位）進行傅立葉轉換，即可模擬影像結構的強度，包括繞射。
哪種 Keysight 光線追蹤解決方案適合我？
圖 5。廣角接收器的 3D 視圖，在 CODE V 中模擬。
CODE V
在設計光學系統時，工程師需要功能強大且穩健的軟體，才能快速獲得準確的結果。在更短時間內最佳化的可靠光學設計，可節省時間和金錢，並維持公司的營收。Keysight 的光線追蹤軟體組合正是以此為考量而開發，可滿足卓越光學設計的需求。選擇正確的軟體取決於您的應用。
圖 6. LiDAR 光學系統，在 LightTools 中模擬
LightTools
針對一般照明、背光顯示器、LED 和車輛內部照明的設計，Keysight LightTools 照明設計軟體可對照明系統設計進行建模和最佳化。
圖 7. 深 FFD 反射器，在 LucidShape 中模擬
LucidShape
針對汽車前燈、尾燈和信號燈的設計建模和即時模擬，Keysight LucidShape 軟體提供一整套設計、模擬和分析工具。
RSoft 光子元件工具
如果您需要使用光線追蹤技術模擬您的透鏡系統，且幾何尺寸較小，那麼在模擬器之間傳遞場資料或混合模擬可能是理想的選擇。RSoft 光子元件工具包含一個介面，可轉換 CODE V 的輸出，反之亦然。
超越光線追蹤
額外的模組、功能和工具可實現光線追蹤的所有層面，即使是最具挑戰性的設計也不例外。Keysight 軟體具備工程師最佳化設計所需的彈性和額外功能：
- 豐富的內建程式庫
- 特殊系統的非序列表面建模
- 快速 2D 影像模擬，以視覺化光學系統效能
- 雜散光分析
- 強化背光圖案最佳化
- 自由曲面設計功能，可對光線擴散提供更精細的控制
- 強化視覺化和精確的擬真電腦生成影像
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