Tutorial de trazado de rayos (Parte A): Patio de juegos de prisma y tetera

🎯 Objetivos de aprendizaje

Cargar y ejecutar una simulación básica de trazado de rayos 3D en OghmaNano.
Identificar fuentes, prismas, aperturas y detectores en la vista de trazado de rayos.
Visualizar reflexión, refracción y dispersión en un sistema de prismas.
Inspeccionar las salidas del detector (curvas de eficiencia e imágenes renderizadas).

📦 Prerrequisitos

OghmaNano instalado y funcionando.
Familiaridad básica con la ley de Snell y reflexión/transmisión.

⏱ Tiempo estimado

Parte A: 10–15 min
Partes posteriores (B, C…): 15–20 min cada una
En total alrededor de 1 h dependiendo de cuánto explore.

🧭 Further optics tutorials

Continue learning: background pages, editor guides, and related ray-tracing tutorials in the optics manual:

En este tutorial utilizará el Optical Workbench de OghmaNano para jugar con una escena de trazado de rayos colorida que contiene prismas, una apertura, un detector y (en partes posteriores) una tetera CAD. El objetivo no es construir una cámara realista, sino ofrecerle un patio de juegos para explorar las funciones principales: lanzar simulaciones, rotar objetos, observar perfiles de haz y examinar lo que el detector “ve”.

Comenzamos a partir de una demostración de prisma ya construida. Esta escena ya incluye:

Dos prismas rojos en la trayectoria óptica.
Una fuente de rayos verde que lanza fotones al sistema.
Una apertura que bloquea los rayos fuera del orificio central.
Un detector púrpura que recoge todos los rayos que lo atraviesan.

Cuando ejecute la simulación verá la reflexión, la refracción y la dispersión en acción, y podrá inspeccionar tanto la eficiencia del detector como una imagen renderizada de lo que el detector observa.

Paso 1: Crear una nueva simulación de trazado de rayos

Inicie OghmaNano desde el menú Inicio de Windows. Desde la ventana inicial seleccione Nueva simulación. Esto abre la ventana de biblioteca de dispositivos mostrada en ??. Haga doble clic en la carpeta Ray tracing (resaltada) para abrir la lista de ejemplos de trazado de rayos, mostrada en ??.

Ventana de nueva simulación de OghmaNano con la carpeta de ejemplos de trazado de rayos resaltada — La ventana *Nueva simulación*. Seleccione la carpeta **Ray tracing** para abrir la biblioteca de ejemplos de trazado de rayos.

Ventana de ejemplos de trazado de rayos con la demostración de prisma resaltada — Dentro de la biblioteca **Ray tracing** seleccione la **Prism demo**. Este ejemplo contiene dos prismas, una fuente, una apertura y un detector.

Haga doble clic en Prism demo, luego elija una carpeta donde tenga permisos de escritura y guarde la simulación. Para obtener el mejor rendimiento guarde en un disco local (por ejemplo C:\) en lugar de una unidad de red o en la nube.

Paso 2: Explorar la escena predeterminada

Después de cargar el ejemplo, la ventana principal de Optical Workbench se abre como se muestra en ??. La escena contiene los principales componentes ópticos que utilizará a lo largo de este tutorial:

Flechas verdes (izquierda): una fuente óptica que lanza rayos de diferentes longitudes de onda.
Dos prismas rojos: elementos ópticos volumétricos que refractan y reflejan los rayos.
Placa de apertura roja: una placa con una abertura central que deja pasar algunos rayos mientras bloquea otros.
Rejilla púrpura (arriba): un detector que recoge rayos, similar a un CCD en una cámara.

Use el ratón para observar la escena. El botón izquierdo del ratón rota la vista, mientras que el botón derecho del ratón desplaza la escena. Puede acercar y alejar usando la rueda del ratón. En el lado izquierdo de la ventana verá botones etiquetados XY, YZ y XZ. Estos colocan la cámara mirando directamente a lo largo de cada plano, lo que puede ser útil al reposicionar objetos o comprobar la alineación.

Ventana de simulación de Optical Workbench mostrando prismas, un detector, una fuente y una apertura — La escena predeterminada **prism demo**. Dos prismas se sitúan entre la fuente verde y el detector púrpura. Una placa de apertura roja a la derecha permite que solo los rayos que pasan por su abertura central continúen.

Simulación de trazado de rayos en ejecución, mostrando rayos coloreados reflejándose y refractándose a través de los prismas y la apertura — Después de ejecutar la simulación, los rayos coloreados se propagan desde la fuente, se refractan dentro de los prismas, y pasan o son bloqueados por la apertura antes de llegar al detector.

Paso 3: Ejecutar la simulación

Haga clic en el botón Run simulation (icono azul de reproducción) o presione F9. OghmaNano traza rayos desde la fuente, a través de los prismas y la apertura, hasta el detector. Cuando la ejecución finaliza, la escena se ve similar a ??.

Las bandas de colores muestran cómo diferentes longitudes de onda siguen trayectorias distintas a través de los prismas. Esta es una demostración simple de:

Ley de Snell (refracción en una interfaz),
Reflexión en las fronteras, y
Dispersión – diferentes índices de refracción para diferentes longitudes de onda, lo que produce un arcoíris visible. (Vea el artículo de Wikipedia sobre dispersión óptica para más información.)

Ley de Snell y reflexión/transmisión

La ley de Snell relaciona los ángulos de incidencia y refracción en una interfaz plana:

\( n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2 \)

donde \(n_1\) y \(n_2\) son los índices de refracción del medio 1 y 2, y \(\theta_1\) y \(\theta_2\) son los ángulos medidos desde la normal a la superficie.

A incidencia normal una expresión simple para la reflectancia de potencia \(R\) en una interfaz es

\( R = \left(\dfrac{n_1 - n_2}{n_1 + n_2}\right)^2 , \qquad T = 1 - R \)

donde \(T\) es la fracción de potencia transmitida. OghmaNano utiliza estas ideas (junto con las ecuaciones completas de Fresnel) al trazar cada rayo a través de los prismas y la apertura.

Paso 4: Inspeccionar las salidas del detector

Para ver lo que ha registrado el detector, haga clic en la pestaña Output en la parte superior de la ventana. Verá la lista de archivos escritos por el trazador de rayos, similar a ??. El archivo más importante en este punto es la carpeta detector0, que almacena las salidas del detector púrpura.

Pestaña Output mostrando la carpeta detector0 y otros archivos de resultados de trazado de rayos — La pestaña **Output** para la demostración de prisma. El icono `detector0` contiene todos los resultados asociados con el detector principal: curvas de eficiencia, imágenes y datos CSV.

Contenido de detector0 mostrando detector_abs0.csv, detector_efficiency0.csv, detector_input0.csv y RAY_image.csv — Dentro de `detector0` encontrará los principales archivos de salida del detector, incluidos `detector_efficiency0.csv` (eficiencia frente a longitud de onda) e `image` (una vista renderizada del campo del detector).

Haga doble clic en detector0. Luego haga doble clic en detector_efficiency0.csv para trazar cuán eficientemente el detector recoge luz en función de la longitud de onda, como se muestra en ??.

Gráfica de eficiencia del detector mostrando la eficiencia de emisión frente a la longitud de onda — El espectro de eficiencia del detector. En este ejemplo alrededor del 23–29 % de los rayos en una longitud de onda dada alcanzan el detector, dependiendo de cómo son refractados y bloqueados por los prismas y la apertura.

Imagen renderizada del detector mostrando un perfil de haz coloreado con un agujero central causado por la apertura — El archivo `RAY_image.csv` muestra una imagen renderizada de lo que su ojo vería si estuviera colocado en el plano del detector. Observe el “agujero” en el centro del haz donde la apertura ha bloqueado los rayos.

A continuación, haga doble clic en el archivo RAY_image.csv. OghmaNano reconstruye una imagen en color a partir de todas las longitudes de onda que alcanzaron el detector (normalmente alrededor de 20 intervalos de longitud de onda en esta demostración). Los rayos que pasaron por la abertura central en la apertura forman la región coloreada brillante en el detector; los rayos bloqueados por la apertura dejan un agujero oscuro en el perfil del haz.

Si rota la escena 3D y sigue los rayos visualmente, puede rastrear cómo se forma este agujero: algunos rayos son reflejados por la placa de apertura, algunos no alcanzan el detector en absoluto, y solo los rayos que pasan por la abertura contribuyen a la región brillante en ??.

👉 Siguiente paso: Continúe con Parte B de prismas a lentes.