☰
OghmaNano כולל פותר מתקדם לחישוב מעקב קרניים תלת-ממדי למידול מערכות אופטיות, עדשות, צמצמים, משטחים מחוספסים, מיקרו-עדשות ומערכות אופטו-אלקטרוניות מובנות. מודול מעקב הקרניים מיועד לפתרון בעיות בתחום האופטיקה של הדמיה, סינון אופטי, פיזור משטחים, חילוץ אור ותכנון אופטי גיאומטרי. על ידי שילוב גיאומטריה תלת-ממדית מפורשת עם תכונות חומר התלויות באורך הגל, הפותר מאפשר למשתמשים לנתח כיצד אור מתפשט דרך רכיבים אופטיים ומערכות שלמות מציאותיות.
ניתן ליישם את אותו מודל על מגוון רחב של מערכות אופטיות, כולל עדשות קוקה משולשות, עדשות בעלות מרחק מוקד ארוך, הדגמות של תכונות מעקב אחר קרניים, החזרה ממשטחים מחוספסים, בריחת אור ממשטחים מובנים, ו- הדגמות של מיקרו-עדשות וסינון אופטי. מכיוון שהפתרון פועל ישירות על קרניים שעוקבות אחריהן דרך גיאומטריה תלת-ממדית מלאה, הוא שימושי במיוחד לחקר מיקוד, אברציות, יעילות איסוף, תגובת גלאי והתנהגות התלויה באורך הגל במערכות אופטיות מורכבות מדי עבור קירובים פשוטים יותר.
OghmaNano מספקת כלים ייעודיים להגדרת מקורות אור, מיקום גלאים אופטיים ועריכת מערכות אופטיות המבוססות על עדשות, באמצעות עורך המישור S. בפועל, הדבר מאפשר למשתמשים לעבור מעיצוב עדשה קומפקטית לסצנה תלת-ממדית מלאה, לעקוב אחר קרניים לאורך אורכי גל, ולנתח הן את הגיאומטריה והן את התמונה המתקבלת במישור הגלאי, במסגרת תהליך עבודה אחד.
האלגוריתם לחישוב מעקב קרניים מדמה את התפשטות קרני האור בסביבה תלת-ממדית, הכוללת משטחים, חומרים אופטיים, צמצמים ומישורי גילוי. בכל נקודת מפגש, האלגוריתם מיישם את העדכון הגיאומטרי-אופטי המתאים, כך שהקרניים יכולות להשתקף, להישבר, לעבור או להיבלע, בהתאם לתכונות החומר המקומיות ולגיאומטריה. בצורתו הבסיסית ביותר, השבירה נשלטת על ידי חוק סנל.
\[ n_1 (\mathbf{k_i} \times \mathbf{n}) = n_2 (\mathbf{k_t} \times \mathbf{n}) \]
בעוד שהחזרה והעברה דרך הממשק תלויות במקדם השבירה ובגיאומטריית הפגיעה המקומית. בסימולציות אופטיות מעשיות, המשמעות היא שקימור העדשה, המרווח ביניהן, גודל הצמצם ומקדם השבירה התלוי באורך הגל – כל אלה משפיעים ישירות על התמונה הסופית ועל ביצועי המערכת.
בשונה מפתרונות אלקטרומגנטיים המבוססים על גל מלא, מעקב קרניים מיועד לבעיות שבהן אורך הגל האופטי קטן משמעותית מהגיאומטריה האופיינית, ושבהן ניתן לייצג את האור בצורה מדויקת באמצעות קרניים מכוונות. הדבר הופך את השיטה ליעילה במיוחד עבור עדשות מרובות אלמנטים, מערכות אופטיות מקרוסקופיות, מערכות מיקרו-עדשות ובעיות של פיזור או חילוץ ממשטחים מובנים. בנוסף, הדבר הופך את הפותר לשותף טבעי לשאר כלי האופטיקה של OghmaNano, שבהם אופטיקה גיאומטרית משלימה שיטות המבוססות על גלים, כגון FDTD ומידול מטריצת העברה.
כל סימולציה של מעקב קרניים תלויה בשלושה מרכיבים עיקריים: המקור, המערכת האופטית והגלאי. ב-OghmaNano, המקור מוגדר באמצעות עורך מקורות אורשם המשתמש יכול להגדיר את צורת האלומה, את אורך הגל או את תחום הספקטרום, את התפלגות הזווית ואת מאפייני הפליטה. כך ניתן ליצור מודלים של מגוון רחב של מקורות, החל מאלומות קולומציה פשוטות ועד למקורות מורכבים יותר בעלי מבנה מסוים או המכילים מספר אורכי גל.
המערכת האופטית עצמה בנויה באמצעות גיאומטריה תלת-ממדית, ובעבור מערכות המבוססות על עדשות, נעשה שימוש בעורך S-plane. ה-S-plane מספק תצוגה קומפקטית של תכנון עדשות, שבה ניתן לערוך ישירות את הרדיוסים, העוביים, החומרים, הקוטרים והמרחקים, תוך שמירה על הקשר לעולם האופטי התלת-ממדי הבסיסי. הדבר שימושי במיוחד עבור מערכות קלאסיות מרובות-אלמנטים, כגון מערכת ה-Cooke triplet, וכן עבור סריקות פרמטרים אוטומטיות במרחב תכנון העדשות.
לאחר מכן, הגלאים מודדים את התוצאה של המערכת האופטית. הם עשויים לרשום את עוצמת האור המועבר, תמונות במישור הגלאי, את היעילות כתלות באורך הגל, או גדלים אופטיים אחרים הנגזרים בהתאם להגדרות הסימולציה. יחד, עורך המקור, עורך מישור S והכלים לגלאים הופכים את מודול מעקב הקרניים לסביבה מעשית לתכנון אופטי, לאפיון אופטי ולניתוח ביצועים המבוסס על גיאומטריה.
אחד היתרונות של סביבת מעקב הקרניים OghmaNano הוא שהיא אינה מוגבלת להרצות ידניות בודדות. ניתן לחקור מערכות אופטיות באופן שיטתי באמצעות סריקות פרמטרים אוטומטיות ו- ניתוח מדדי ביצועים. הדבר מאפשר למשתמשים לשנות רדיוסים, עוביים, מרווחים, הגדרות צמצם או פרמטרים גיאומטריים אחרים בסדרת סימולציות, ולאחר מכן להשוות את הביצועים האופטיים המתקבלים באופן כמותי.
בפועל, הדבר הופך את מודול מעקב הקרניים לכלי שימושי לא רק לצורך הדמיית קרניים, אלא גם לצורך עבודה אמיתית בתחום התכנון האופטי. ניתן לחלץ ולהשוות פרמטרים שונים, כגון גודל נקודה, יעילות הגלאי, איכות התמונה, מדדי אנרגיה מצטברת ונתונים אופטיים רלוונטיים אחרים, על פני מרחב הפרמטרים. משתמשים יכולים, לפיכך, לעבור מהדמיות המבוססות על אינטואיציה לתהליכי עבודה שיטתיים יותר למיטוב עדשות, מבלי לצאת מהסביבה הנוכחית.
גישה זו, הכוללת סריקה ואופטימיזציה, בעלת ערך רב במיוחד עבור מערכות מורכבות המורכבות ממספר רב של רכיבים, שבהן הביצועים תלויים במספר משתני תכנון הקשורים זה לזה. בנוסף, היא הופכת את הכלי לפתרון בעיות לפלטפורמה מעשית לביצוע מחקרי סבילות, לחקר מרחב התכנון ולהשוואה מהירה של פריסות אופטיות חלופיות.
הכלי לפתרון בעיות באמצעות מעקב אחר קרניים (ray-tracing) יכול לשמש למגוון רחב של בעיות אופטיות אמיתיות. בתחום האופטיקה של מערכות הדמיה, הוא יכול לדמות עדשות מורכבות, צמצמים, מישורי מוקד ותמונות המתקבלות על ידי גלאים, כפי שמוצג באיור ??, איור ?? ו-איור ??. במערכות אלה, ניתן להשתמש בכלי כדי לחקור עיוותים, גודל הצמצם, התנהגות המיקוד, יצירת תמונה ותפוקה כתלות באורך הגל.
אותו מודל שימושי גם עבור אור הפועל על סרטים ומשטחים בעלי מבנה, כולל השתקפות מסרטים מחוספסים, בריחה משכבות בעלות מרקם, ושיפור איסוף או סינון באמצעות מיקרו-עדשות. מכיוון שהשיטה פועלת ישירות על גיאומטריה תלת-ממדית, ניתן להשתמש בה גם לחקר מערכות אופטיות מורכבות יותר, שבהן המסלול המלא של האור דרך המבנה הוא בעל חשיבות.
מכיוון ש-OghmaNano תומך בסריקות אורכי גל, בפלטות גלאים ובסריקות אוטומטיות, הכלי מתאים היטב הן לסימולציות מהירות ולצרכים מחקריים ראשוניים, והן לתהליכי עבודה שיטתיים יותר בתחום התכנון האופטי. תכונה זו הופכת אותו לשימושי במגוון רחב של תחומים, החל מתכנון עדשות קלאסי ועד לאריזה אופטו-אלקטרונית ואופטיקה של משטחים מובנים.
OghmaNano כולל אוסף הולך וגדל של דוגמאות לשימוש בטכניקת מעקב קרניים ומדריכים מפורטים שלב אחר שלב. מדריכים אלה מכסים הן תהליכי עבודה בסיסיים במערכות אופטיות והן שימושים מתקדמים יותר, כגון סריקות פרמטרים, מדדי ביצועים, משטחים מחוספסים ומבני מיקרו-עדשות. מטרתם לסייע למשתמשים לעבור במהירות ממודל גיאומטרי לסימולציה אופטית פונקציונלית, ולאחר מכן לאופטימיזציה או ניתוח.
נקודות התחלה מועילות כוללות את מבוא למערכות אופטיות ולמעקב אחר קרניים, את מדריך על עדשת קוק טריפלט, את דוגמה לעדשה בעלת מוקד של 200 מ"מ, את סקירה של תכונת מעקב אחר קרניים, את מדריך על סריקת פרמטרים אוטומטית במישור S, ואת תהליך עבודה של מדדי ביצועים. עבור אופטיקה של משטחים מובנים, השתקפות של סרט מחוספס, בריחת אור, ו-הדגמת מיקרו-עדשה מדגימים כיצד ניתן להשתמש באותה תוכנת מעקב אחר קרניים גם מעבר למערכות עדשות קלאסיות.
נסו דוגמה של מעקב קרניים.
התחילו עם מבוא למערכות אופטיות ולמעקב אחר קרניים, ולאחר מכן עברו למדריכים בנושאים הבאים: מערכת קוק, עדשה ראשית, או סריקת פרמטרים אוטומטית.
כדי לבנות מערכות משלכם, התחילו עם מקורות אור, גלאים אופטיים ו- עורך מישור S.