OghmaNano شامل یک حلگر ردیابی پرتو سهبعدی پیشرفته برای مدلسازی سامانههای نوری، لنزها، دیافراگمها، سطوح زبر، ریزلنزها و مجموعههای اپتوالکترونیکی ساختیافته است. ماژول ردیابی پرتو برای مسائل اپتیک تصویربرداری، فیلترگذاری نوری، پراکندگی سطحی، استخراج نور و طراحی هندسی نوری طراحی شده است. با ترکیب هندسه سهبعدی صریح با خواص مواد وابسته به طول موج، این حلگر به کاربران امکان میدهد تحلیل کنند که نور چگونه از میان اجزای نوری واقعگرایانه و مجموعههای کامل منتشر میشود.
همین چارچوب را میتوان برای دامنه گستردهای از سامانههای نوری بهکار برد، از جمله لنزهای سهگانه Cooke، لنزهای پرایم با فاصله کانونی بلند، مرور کلی ویژگیهای عمومی ردیابی پرتو، بازتاب از فیلمهای زبر، گریز نور از فیلمهای ساختیافته، و نمایشهای ریزلنز و فیلترگذاری نوری. از آنجا که حلگر مستقیماً روی پرتوهای ردیابیشده در هندسه کامل سهبعدی عمل میکند، بهویژه برای مطالعه فوکوس، ابیراهیها، بازده جمعآوری، پاسخ آشکارساز و رفتار وابسته به طول موج در سامانههای نوریای که برای تقریبهای پاراکسیال سادهتر بیش از حد پیچیدهاند، مفید است.
OghmaNano ابزارهای اختصاصی برای تعریف منابع نور، جایگذاری آشکارسازهای نوری، و ویرایش سامانههای نوری مبتنی بر لنز با استفاده از ویرایشگر S-plane فراهم میکند. در عمل، این امکان را به کاربران میدهد که از یک نسخهنویسی فشرده لنز به یک صحنه کامل سهبعدی بروند، پرتوها را بر حسب طول موج ردیابی کنند و هم هندسه و هم تصویر حاصل روی صفحه آشکارساز را در یک گردشکار تحلیل کنند.
حلگر ردیابی پرتو، پرتوهای نوری را در یک صحنه سهبعدی شامل سطوح، محیطهای حجمی، دیافراگمها و صفحات آشکارساز منتشر میکند. در هر مرز مشترک، حلگر بهروزرسانی مناسب اپتیک هندسی را اعمال میکند تا پرتوها بسته به خواص موضعی ماده و هندسه بتوانند بازتاب، شکست، عبور یا جذب شوند. در پایهایترین شکل، شکست با قانون اسنل کنترل میشود،
\[ n_1 (\mathbf{k_i} \times \mathbf{n}) = n_2 (\mathbf{k_t} \times \mathbf{n}) \]
در حالی که بازتاب و عبور در مرز مشترک به ضریبهای شکست و هندسه موضعی تابش بستگی دارند. در شبیهسازیهای نوری عملی، این بدان معناست که خمیدگی لنز، فاصلهگذاری، اندازه دیافراگم و ضریب شکست وابسته به طول موج همگی مستقیماً بر تصویر نهایی و گذردهی سامانه اثر میگذارند.
برخلاف حلگرهای الکترومغناطیسی تمامموج، ردیابی پرتو برای مسائلی در نظر گرفته شده است که در آنها طول موج نوری بسیار کوچکتر از هندسه مشخصه است و نور را میتوان با دقت توسط پرتوهای جهتدار نمایش داد. این موضوع، روش را برای لنزهای چندعنصری، زنجیرههای نوری ماکروسکوپی، سامانههای ریزلنزی و مسائل پراکندگی یا استخراج در سطوح ساختیافته بهویژه کارآمد میسازد. همچنین این حلگر را به یک مکمل طبیعی برای بقیه زنجیرهابزارهای نوری OghmaNano تبدیل میکند، جایی که اپتیک هندسی روشهای موجمبنا مانند FDTD و مدلسازی transfer-matrix را تکمیل میکند.
هر شبیهسازی ردیابی پرتو به سه جزء اصلی وابسته است: منبع، سامانه نوری و آشکارساز. در OghmaNano، منبع از طریق ویرایشگر منبع نور پیکربندی میشود، جایی که کاربر میتواند شکل پرتو، طول موج یا بازه طیفی، توزیع زاویهای و مشخصههای گسیل را تعریف کند. این کار مدلسازی همهچیز را از پرتوهای ساده همخط تا منابع پیچیدهتر ساختیافته یا چندطولموجی ممکن میسازد.
خود سامانه نوری با استفاده از هندسه سهبعدی و، برای سامانههای مبتنی بر لنز، با ویرایشگر S-plane ساخته میشود. S-plane یک نمای فشرده طراحی لنز فراهم میکند که در آن شعاعها، ضخامتها، مواد، قطرها و فاصلهگذاری را میتوان مستقیماً ویرایش کرد، در حالی که همچنان به دنیای نوری سهبعدی زیربنایی متصل باقی میماند. این موضوع بهویژه برای سامانههای کلاسیک چندعنصری مانند سهگانه Cooke و برای پویشهای خودکار پارامتر در فضای طراحی لنز مفید است.
سپس آشکارسازها نتیجه سامانه نوری را اندازهگیری میکنند. بسته به تنظیمات شبیهسازی، آنها میتوانند شدت عبوری، تصاویر صفحه آشکارساز، بازده بر حسب طول موج یا دیگر کمیتهای نوری مشتقشده را ثبت کنند. در کنار هم، ویرایشگر منبع، ویرایشگر S-plane و ابزارهای آشکارساز، ماژول ردیابی پرتو را به محیطی عملی برای طراحی نوری، مشخصهیابی نوری و تحلیل عملکرد مبتنی بر هندسه تبدیل میکنند.
یکی از نقاط قوت محیط ردیابی پرتو OghmaNano این است که به اجرای تکی دستی محدود نیست. سامانههای نوری را میتوان بهصورت نظاممند با استفاده از پویشهای خودکار پارامتر و تحلیل شاخصهای شایستگی بررسی کرد. این کار به کاربران اجازه میدهد شعاعها، ضخامتها، فاصلهگذاری، تنظیمات دیافراگم یا دیگر پارامترهای هندسی را در مجموعهای از شبیهسازیها تغییر دهند و سپس عملکرد نوری حاصل را بهصورت کمی مقایسه کنند.
در عمل، این موضوع ماژول ردیابی پرتو را نه فقط برای بصریسازی پرتوها، بلکه برای کار واقعی طراحی نوری مفید میسازد. اندازه لکه، بازده آشکارساز، کیفیت تصویر، معیارهای انرژی محصورشده و شاخصهای شایستگی نوری مرتبط را همگی میتوان از فضای پارامتر استخراج و در آن مقایسه کرد. بنابراین کاربران میتوانند بدون ترک همان محیط، از بصریسازیهای شهودی به گردشکارهای نظاممندتر بهینهسازی لنز حرکت کنند.
این رویکرد پویش و بهینهسازی بهویژه برای سامانههای چندعنصری ارزشمند است، جایی که عملکرد به چندین متغیر طراحی کوپلهشده بستگی دارد. همچنین این حلگر را به بستری عملی برای مطالعات تلرانس، کاوش فضای طراحی و مقایسه سریع چیدمانهای نوری جایگزین تبدیل میکند.
حلگر ردیابی پرتو را میتوان برای دامنه وسیعی از مسائل واقعی نوری بهکار برد. در اپتیک تصویربرداری، این حلگر میتواند لنزهای چندعنصری، دیافراگمها، صفحات کانونی و تصاویر آشکارساز را مدلسازی کند، همانگونه که در شکل ??، شکل ?? و شکل ?? نشان داده شده است. در این سامانهها، میتوان از حلگر برای مطالعه ابیراهیها، اندازه روزنه، رفتار فوکوس، تشکیل تصویر و گذردهی وابسته به طول موج استفاده کرد.
همین چارچوب همچنین برای برهمکنش نور با فیلمها و سطوح ساختیافته ارزشمند است، از جمله بازتاب از فیلم زبر، گریز از لایههای بافتدار و جمعآوری یا فیلترگذاری تقویتشده با ریزلنز. از آنجا که روش مستقیماً روی هندسه سهبعدی عمل میکند، میتوان از آن برای مطالعه مجموعههای نوری پیچیدهتر نیز استفاده کرد که در آنها مسیر کامل نور درون ساختار اهمیت دارد.
از آنجا که OghmaNano از پویش طول موج، خروجیهای آشکارساز و پویشهای خودکار پشتیبانی میکند، این حلگر هم برای شبیهسازیهای سریع اکتشافی و هم برای گردشکارهای نظاممندتر طراحی نوری مناسب است. این موضوع آن را در زمینههایی از طراحی کلاسیک لنز گرفته تا بستهبندی اپتوالکترونیکی و اپتیک سطوح ساختیافته مفید میسازد.
OghmaNano مجموعهای در حال رشد از مثالهای ردیابی پرتو و آموزشهای گامبهگام را شامل میشود. اینها هم گردشکارهای مقدماتی سامانه نوری و هم کاربردهای پیشرفتهتر پویش پارامتر، شاخصهای شایستگی، سطوح زبر و ساختارهای ریزلنزی را پوشش میدهند. هدف آنها این است که به کاربران کمک کنند بهسرعت از یک مدل هندسی به یک شبیهسازی نوری عملیاتی برسند و سپس بهینهسازی یا تحلیل را دنبال کنند.
نقاط شروع مفید شامل مقدمهای بر سامانههای نوری و ردیابی پرتو، آموزش لنز سهگانه Cooke، مثال لنز پرایم 200 میلیمتری، مرور ویژگیهای ردیابی پرتو، آموزش پویش خودکار پارامتر S-plane، و گردشکار شاخصهای شایستگی است. برای اپتیک سطوح ساختیافته، بازتاب از فیلم زبر، گریز نور، و نمایش ریزلنز نشان میدهند که چگونه همین موتور ردیابی پرتو را میتوان فراتر از سامانههای کلاسیک لنزی بهکار برد.
یک مثال ردیابی پرتو را امتحان کنید.
با مقدمهای بر سامانههای نوری و ردیابی پرتو شروع کنید، سپس به آموزشهای سهگانه Cooke، لنز پرایم، یا پویش خودکار پارامتر بروید.
برای ساخت سامانههای خودتان، با منابع نور، آشکارسازهای نوری، و ویرایشگر S-plane شروع کنید.