CAD-Netze bearbeiten

In OghmaNano besitzt jedes 3D-Objekt sowohl eine einfache Umrandungsform als auch optional ein detaillierteres CAD-Modell. Standardmäßig sind komplexe CAD-Modelle deaktiviert, und jedes Objekt wird mithilfe eines generischen Würfels dargestellt, dessen Größe im Objekteditor definiert wird. In diesem Abschnitt wird erläutert, wie komplexe Modelle aktiviert und wie der Modellierungseditor verwendet werden kann, um verschiedene primitive Formen wie Pyramiden, Rohre und Hohlrohre zu konfigurieren.

User right-clicking an object in the 3D view and choosing Edit object. — Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf ein Objekt in der 3D-Szene und wählen Sie „Objekt bearbeiten“, um den Objekt-Editor zu öffnen.

OghmaNano Object editor window showing basic object properties and Complex meshes disabled. — Im Objekt-Editor können Sie die Position, Größe, Farbe, das Material und die Form des Objekts konfigurieren. Standardmäßig hat das Objekt die Form eines einfachen Würfels, und komplexere Modelle sind deaktiviert.

Um ein Objekt zu bearbeiten, klicken Sie mit der rechten Maustaste darauf, während es in der 3D-Ansicht angezeigt wird, und wählen Sie „Objekt bearbeiten“ aus, wie in ?? dargestellt. Dadurch wird das Fenster „Objekt-Editor“ (??) geöffnet. Hier legen die Felder für die XYZ-Größe (dx, dy und dz) die Größe der standardmäßigen, kastenförmigen Darstellung des Objekts fest. Sie können auch die Position, die Drehung, die Farbe und das Material des Objekts ändern.

Am unteren Rand des Objekteditors, unter „Objektform“, zeigt der Text „Komplexe Modelle deaktiviert“ an, dass für dieses Objekt derzeit kein detailliertes CAD-Modell verwendet wird. In diesem Modus wird das Objekt immer als einfaches Rechteck dargestellt, unabhängig davon, welches optische Material oder welche anderen Eigenschaften Sie auswählen.

Aktivieren des Mesh-Editors

Um komplexe CAD-Netze zu ermöglichen, klicken Sie im Objekteditor neben „Objektform“ auf die Schaltfläche „Bearbeiten“ (mit drei Punkten). Dadurch wird der Netzeditor geöffnet. Wenn Sie ihn zum ersten Mal für ein Objekt öffnen, ist das Netzsystem deaktiviert, wie in ?? dargestellt.

Mesh editor window showing complex meshes disabled. — Der Mesh-Editor wird angezeigt, wenn komplexe Meshes deaktiviert sind. Klicken Sie auf die Schaltfläche „Aktivieren“, um die Mesh-Bearbeitung für dieses Objekt zu aktivieren.

Klicken Sie in der Symbolleiste des Mesh-Editors auf die Schaltfläche „Deaktiviert“, um komplexe Meshes zu aktivieren. Sobald dies geschehen ist, wechselt der Editor zu seiner Standard-Grundform, nämlich einer Pyramide. Die Konfigurationseinstellungen und das resultierende Mesh werden in den folgenden Abschnitten ausführlicher erläutert, beginnend mit der Pyramide in ??.

Pyramide

Wenn komplexe Netzstrukturen für ein Objekt zum ersten Mal aktiviert werden, ist die Standardform eine Pyramide. Der Netzstruktur-Editor zeigt eine Symbolleiste mit verfügbaren Grundformen (Quader, Prisma, Kugel, Zylinder, Hohlzylinder, Pyramide usw.) und ein Konfigurationsfeld für die aktive Form an. Für die Pyramide können Sie ihren Grundradius, ihre Höhe und die Anzahl der Seiten festlegen. Die Pyramidennetzstruktur ersetzt dann die einfache Quaderform für dieses Objekt in der 3D-Ansicht.

Mesh editor window configured to use the pyramid primitive. — Der Mesh-Editor ist geöffnet, wobei die Option für komplexe Meshes aktiviert ist und das Pyramiden-Grundelement ausgewählt wurde. In dem Bedienfeld können Sie den Grundradius, die Höhe und die Anzahl der Seiten festlegen.

Wireframe pyramid mesh rendered in the 3D scene. — Das resultierende Pyramidennetz in der 3D-Szene. Das rote Drahtgittermodell zeigt das triangulierte CAD-Netz, das die einfache quaderförmige Form ersetzt.

Durch die Anpassung der Pyramide-Parameter in ?? wird das in dem Haupt-3D-Fenster (??) angezeigte Netz sofort aktualisiert. Dies ermöglicht eine einfache Feinabstimmung der Gesamtmaße, bevor das Objekt in Ihrer Simulation mit anderen optischen Elementen kombiniert wird.

Röhre

Das „Tube“-Primitive erzeugt einen festen Zylinder. Dies ist nützlich für die Modellierung von Stäben, Säulen oder Wellenleitern. Im Konfigurationsfenster können Sie den Gesamtradius, die Höhe und die Diskretisierung des Netzes über die Anzahl der Ringe und Segmente einstellen.

Mesh editor window showing configuration options for a solid tube. — Konfigurationsoptionen für ein massives Rohr: Radius, Höhe, Anzahl der Ringe entlang der Achse und Anzahl der Winkelsegmente.

Wireframe cylinder mesh rendered in the 3D scene. — Das Ergebnis ist ein festes, röhrenförmiges Netz, das in der 3D-Ansicht dargestellt wird. Eine feinere Auswahl an Ringen und Segmenten führt zu einem optisch glatteren Zylinder, allerdings auf Kosten einer höheren Anzahl an Dreiecken.

Wie bei der Pyramide werden alle Änderungen, die Sie im Fenster für die Konfiguration der Röhren vornehmen (??), sofort im gerenderten Netz (??) angezeigt. Durch Erhöhen der Anzahl der Ringe und Segmente wird die Netzauflösung erhöht, was die geometrische Genauigkeit verbessern, aber auch die Raytracing-Zeit verlängern kann.

Hohlrohr

Das Primitive „Hohles Rohr“ erzeugt eine zylindrische Hülle mit einem vom Benutzer definierten Innen- und Außenradius. Dies ist nützlich für die Modellierung von Rohren, hohlen Wellenleitern oder ringförmigen Trägerstrukturen. Zusätzlich zu Radius und Höhe können Sie die Anzahl der Ringe und Segmente festlegen, um die Triangulierung des Netzes zu steuern.

Mesh editor window showing configuration options for a hollow tube. — Konfigurationsoptionen für ein Hohlrohr: Innenradius, Außenradius, Höhe, Anzahl der Ringe und Anzahl der Winkelsegmente.

Wireframe hollow cylinder mesh rendered in the 3D scene. — Das hohle, röhrenförmige Gitter in der 3D-Szene. Die rote Drahtgitterlinie zeigt die Umrisse sowohl der inneren als auch der äußeren zylindrischen Oberfläche.

Durch die Anpassung der inneren und äußeren Radien in ?? können Sie stufenlos zwischen einer dünnwandigen Schale und einem nahezu massiven Zylinder wechseln. Wie zuvor wird die Auflösung des Netzes durch die Anzahl der Ringe entlang der Achse und die Anzahl der Winkelsegmente um den Umfang bestimmt (??).

Kugel, Sphäre

Das Primitive „Kugel“ erzeugt eine dreieckige Kugelfläche. Im Konfigurationsfeld können Sie den Kugelradius sowie die Anzahl der Ringe (Breitengrade) und Segmente (Längengrade) einstellen. Diese Parameter bestimmen zusammen, wie fein die Kugel unterteilt wird und wie glatt sie daher in der 3D-Ansicht erscheint.

Mesh editor window showing configuration options for a sphere. — Konfigurationsoptionen für eine Kugel: Radius, Anzahl der Ringe und Anzahl der Winkelsegmente.

Wireframe sphere mesh rendered in the 3D scene. — Das Ergebnis ist ein kugelförmiges Netz, das in der 3D-Ansicht dargestellt wird. Durch Erhöhen der Anzahl der Ringe und Segmente wirkt die Oberfläche glatter, allerdings auf Kosten einer höheren Anzahl von Dreiecken.

Für viele optische Anwendungen ist eine moderate Anzahl von Ringen und Segmenten ausreichend; eine Erhöhung dieser Werte über das Maß, das ein optisch ansprechendes Ergebnis liefert, würde lediglich die Simulationszeit verlängern, ohne die Genauigkeit zu verbessern. Verwenden Sie ?? und ?? als Richtlinie bei der Auswahl geeigneter Werte.

Prisma

Das Prisma-Primitive ist für die Erstellung einfacher keilförmiger oder spitz zulaufender Strukturen konzipiert. Im Konfigurationsfeld geben Sie die Gesamtgröße des Prismas in den XYZ-Koordinaten an (seine dx-, dy- und dz-Dimensionen). Die Option „Spitze in der Mitte“ steuert, ob sich die Spitze des Prismas in der Mitte der Grundfläche befindet oder seitlich versetzt ist.

Mesh editor window showing configuration options for a prism. — Konfigurationsoptionen für ein Prisma: Gesamtgröße in den Dimensionen `x`, `y` und `z` sowie eine Option, um die Spitze in der Mitte der Grundfläche zu positionieren.

Wireframe prism mesh rendered in the 3D scene. — Das prismenförmige Netz in der 3D-Szene. Die dreieckigen Flächen treffen sich an der in der Konfigurationsoberfläche definierten Spitze.

Prismen sind nützlich für den Aufbau komplexerer optischer Komponenten, wie beispielsweise Lichtleitstrukturen oder einfache Strahlablenker. Die Beziehung zwischen den Werten dx, dy und dz in ?? und der daraus resultierenden Geometrie, die in ?? dargestellt ist, ist direkt, was die Gestaltung und Anpassung dieser Formen vereinfacht.

Kiste

Das „Box“-Primitive bietet eine explizite, auf einem Netz basierende Version der einfachen rechteckigen Form, die verwendet wird, wenn komplexe Netze deaktiviert sind. Sie können die Größe der Box in den Feldern für die XYZ-Abmessungen (dx, dy, dz) angeben. In den meisten Fällen bietet die Verwendung eines Box-Netzes anstelle der Standard-Boxform keine praktischen Vorteile, aber die Option wird aus Gründen der Vollständigkeit und für Situationen bereitgestellt, in denen Sie möchten, dass alle Objekte das Netzsystem konsistent verwenden.

Mesh editor window showing configuration options for a box. — Konfigurationsoptionen für ein Objekt: Die Abmessungen `x`, `y` und `z` entsprechen den für das Standardobjektfeld verwendeten Abmessungen.

Wireframe box mesh rendered in the 3D scene. — Das Gitter aus kleinen Würfeln ist in der 3D-Szene dargestellt. Die in Dreiecke unterteilten Flächen geben die gleiche Geometrie wie das standardmäßige rechteckige Objekt wieder.

Wenn Sie lediglich ein einfaches, rechteckiges Objekt benötigen, können Sie in der Regel die komplexen Mesh-Einstellungen deaktiviert lassen und sich auf das Standard-Würfelmodell verlassen. Das Mesh-basierte Würfelmodell in ?? und ?? kann jedoch nützlich sein, wenn Sie eine einheitliche Kontrolle auf Mesh-Ebene wünschen (z. B. beim Exportieren von Geometrie oder beim Kombinieren mit anderen Mesh-Grundformen).

Blende

Die Apertur-Primitive dient zur Modellierung von optischen Blenden und Irisblenden. Sie erzeugt eine flache Platte mit einer polygonalen Öffnung in der Mitte. Im Konfigurationsfeld geben Sie den äußeren Durchmesser d0, den inneren Durchmesser d1 (die freie Apertur) und die Anzahl der Lamellen an, wodurch die Anzahl der Seiten der polygonalen Öffnung festgelegt wird.

Mesh editor window showing configuration options for an aperture. — Konfigurationsoptionen für eine Blende: Außenabmessungen `d0`, Innendurchmesser `d1` und die Anzahl der Lamellen, die die polygonale Form der Blende bestimmen.

Wireframe aperture mesh rendered in the 3D scene, showing the polygonal opening. — Das Gitter der Öffnung in der 3D-Szene. Die zentrale polygonale Öffnung definiert den Bereich, durch den Licht hindurchscheinen kann.

In einem typischen optischen Modell wird das Material der Blendenplatte so eingestellt, dass es entweder Licht absorbiert oder ein metallisches Medium darstellt, sodass nur das Licht, das durch die Öffnung scheint, zur Simulation beiträgt. Durch die Anpassung von d0, d1 und der Anzahl der Lamellen in ?? können Sie schnell verschiedene Blendenöffnungen und -formen erstellen und die resultierende Geometrie, die in ?? dargestellt wird, sofort sehen.

Linse

Die „Lens“-Funktion im Mesh-Editor ermöglicht es Ihnen, vollständig triangulierte optische Linsen zu erstellen. Linsen können rund oder quadratisch sein, und jede Oberfläche kann eine von mehreren Formen annehmen: plan (flach), sphärisch, parabolisch, ellipsoid, hyperbolisch oder asphärisch. Diese Optionen ermöglichen eine flexible Modellierung optischer Elemente für die Strahlenverfolgung.

Jede Linse hat zwei Oberflächen – Oberfläche 0 und Oberfläche 1 –, und jede Oberfläche kann unabhängig konfiguriert werden. Zu den Parametern gehören:

Oberflächenradius r – Krümmungsradius (positiv oder negativ, je nachdem, ob die Oberfläche konvex oder konkav ist).
Oberflächenwert k – Kegelschnittkonstante für nicht-sphärische Oberflächen.
Oberfläche A4, A6, … – Asphärische Koeffizienten höherer Ordnung.
ct – Mittlere Dicke des Linsenkörpers.
Durchmesser – der physische Durchmesser der Linse.
Bohrungsdurchmesser – Größe einer optionalen zentralen Bohrung.

Der Objektiv-Editor ist leistungsstark, aber in den meisten optischen Arbeitsabläufen lassen sich Objektive einfacher mit dem S-Ebenen-Editor bearbeiten, der später beschrieben wird. Der Mesh-Editor ist hauptsächlich dann nützlich, wenn Sie eine explizite, dreieckige Objektivgeometrie für den Export oder für die visuelle Fehlersuche benötigen.

Lens editor configuration window showing aspheric surface parameters. — Das Konfigurationsfeld für die Linsen. Beide Oberflächen können als plan, sphärisch, parabolisch, ellipsoidisch, hyperbolisch oder asphärisch eingestellt werden. Parameter wie r, k, A4 und A6 definieren die Krümmung und das Verhalten höherer Ordnung jeder Oberfläche.

Concave lens mesh shown in the 3D scene. — Eine konkave Linse, die mit dem Mesh-Editor erstellt wurde. Die triangulierte Oberfläche folgt der in ?? angegebenen Krümmung.

Lens with central hole rendered in the 3D scene. — Eine Linse mit einem zentralen Loch. Die Größe des Lochs wird über das Feld „Lochdurchmesser“ gesteuert. Solche Linsen werden in speziellen optischen Anordnungen verwendet, bei denen zentrale Abschattungen modelliert werden müssen.

Convex lens mesh shown in the 3D scene. — Eine konvexe Linse, bei der beide Oberflächen in einer gekrümmten Form gestaltet sind. Die dreieckige Form eignet sich für detaillierte optische Simulationen, bei denen die physikalische Form explizit modelliert werden muss.

Die in ??, ??, ?? und ?? enthaltenen Konfigurationsbeispiele zeigen gemeinsam, wie der Lens Editor eine Vielzahl optischer Elemente erstellen kann.

Formdatenbank

Die Option „Formdatenbank“ ermöglicht den Zugriff auf eine Bibliothek mit vordefinierten CAD-Modellen, die im eigenen Format von OghmaNano gespeichert sind. Diese Formen werden nicht dynamisch vom Modellierungseditor generiert, sondern direkt aus der internen Datenbank geladen und können in mehreren Simulationen wiederverwendet werden.

Zusätzlich zu den Standardformen der Bibliothek können Sie auch flache Bilder – wie beispielsweise AFM-Höhenkarten – in die Formdatenbank importieren und in 3D-Objekte umwandeln. Dies macht sie zu einem praktischen Ort, um häufig verwendete Geometrien zusammen aufzubewahren, unabhängig davon, ob sie aus Messungen, externen CAD-Tools oder früheren Projekten stammen.

Mesh editor window showing a shape selected from the internal shape database. — Das Bedienfeld „Formdatenbank“. Aus der internen Bibliothek wird ein gespeichertes CAD-Gittermodell (hier mit dem Namen `teapot`) ausgewählt und mithilfe der Felder für die XYZ-Größe skaliert.

Sobald in ?? eine Form ausgewählt wurde, verhält sie sich wie jedes andere Mesh-Primitive: Sie wird dem aktuellen Objekt zugeordnet und nimmt vollständig an der Raytracing-Simulation teil.

CAD-Dateien importieren

Anstatt zuerst Formen zur internen Datenbank hinzuzufügen, ist es auch möglich, Modelle direkt aus externen CAD-Dateien mithilfe der Option „CAD-Datei“ einzubinden. Dies ist nützlich, wenn Sie bereits ein Modell auf der Festplatte gespeichert haben und dieses einfach in eine OghmaNano-Simulation einfügen möchten.

Derzeit unterstützt der Importer das Standardformat Wavefront OBJ. Andere, nicht standardisierte oder proprietäre Formate werden nicht akzeptiert. Wenn Ihre Geometrie also in einem anderen Format gespeichert ist, sollte sie zunächst als Wavefront-OBJ-Mesh exportiert werden.

Mesh editor CAD file panel showing the selected OBJ file and scaling controls. — Das CAD-Datei-Bedienfeld. Verwenden Sie den Dateiauswahldialog, um eine Wavefront-OBJ-Datei auszuwählen, und passen Sie deren XYZ-Größe an, um die physische Größe des importierten Modells festzulegen.

Imported CAD teapot mesh rendered in the 3D scene. — Ein importiertes CAD-Modell (eine Teekanne), das in der 3D-Szene dargestellt wird. Die Geometrie stammt direkt aus einer externen OBJ-Datei und wird anschließend als vollständiges 3D-Modell in der Simulation verwendet.

Das Beispiel in ?? und ?? zeigt, wie ein externes CAD-Modell in OghmaNano importiert und mit anderen optischen Komponenten in der Szene kombiniert werden kann.