광선 추적 튜토리얼 (파트 A): 프리즘 및 찻주전자 플레이그라운드

이 튜토리얼에서는 OghmaNano의 Optical Workbench를 사용하여 프리즘, 조리개, 검출기 그리고 (이후 파트에서는) CAD 찻주전자를 포함한 다채로운 광선 추적 장면을 다루게 됩니다. 목표는 현실적인 카메라를 구축하는 것이 아니라, 시뮬레이션 실행, 물체 회전, 빔 프로파일 관찰, 그리고 검출기가 무엇을 “보는지” 확인하는 주요 기능을 탐색하기 위한 플레이그라운드를 제공하는 것입니다.

미리 구성된 프리즘 데모에서 시작합니다. 이 장면에는 이미 다음이 포함되어 있습니다:

• 광 경로에 있는 두 개의 빨간 프리즘.
• 시스템으로 광자를 발사하는 녹색 광선 광원.
• 중앙 구멍 이외의 광선을 차단하는 조리개.
• 이를 통과하는 모든 광선을 수집하는 보라색 검출기.

시뮬레이션을 실행하면 반사, 굴절 및 분산이 실제로 작동하는 것을 볼 수 있으며, 검출기 효율과 검출기가 보는 장면의 렌더링 이미지를 모두 검사할 수 있습니다.

1단계: 새 광선 추적 시뮬레이션 만들기

Windows 시작 메뉴에서 OghmaNano를 실행합니다. 시작 창에서 New simulation을 선택합니다. 그러면 ??에 표시된 장치 라이브러리 창이 열립니다. 광선 추적 예제 목록을 열려면 Ray tracing 폴더(강조 표시됨)를 더블 클릭하십시오. 이는 ??에 표시되어 있습니다.

Prism demo를 더블 클릭한 다음, 쓰기 권한이 있는 폴더를 선택하여 시뮬레이션을 저장하십시오. 최상의 성능을 위해 네트워크 또는 클라우드 드라이브보다 로컬 디스크(예: C:\)에 저장하십시오.

2단계: 기본 장면 살펴보기

예제를 불러온 후, ??에 표시된 것처럼 기본 Optical Workbench 창이 열립니다. 장면에는 이 튜토리얼 전반에서 사용할 주요 광학 구성 요소가 포함되어 있습니다:

• 녹색 화살표(왼쪽): 서로 다른 파장의 광선을 발사하는 광학 광원.
• 두 개의 빨간 프리즘: 광선을 굴절시키고 반사하는 벌크 광학 요소.
• 빨간 조리개 판: 중앙 개구를 가진 판으로, 일부 광선은 통과시키고 다른 광선은 차단합니다.
• 보라색 격자(위): 카메라의 CCD와 유사하게 광선을 수집하는 검출기.

마우스를 사용하여 장면을 둘러보십시오. 왼쪽 마우스 버튼은 시점을 회전시키고, 오른쪽 마우스 버튼은 장면을 이동시킵니다. 마우스 휠로 확대 및 축소할 수 있습니다. 창 왼쪽에는 XY, YZ, 및 XZ라고 표시된 버튼이 있습니다. 이들은 카메라를 각 평면 방향으로 직접 보도록 설정하므로, 물체를 재배치하거나 정렬을 확인할 때 유용할 수 있습니다.

3단계: 시뮬레이션 실행

Run simulation 버튼(파란색 재생 아이콘)을 클릭하거나 F9를 누르십시오. OghmaNano는 광원에서 시작하여 프리즘과 조리개를 거쳐 검출기까지 광선을 추적합니다. 실행이 끝나면 장면은 ??와 유사하게 보입니다.

색 띠는 서로 다른 파장이 프리즘을 통해 서로 다른 경로를 따르는 방식을 보여줍니다. 이는 다음의 간단한 시연입니다:

• 스넬의 법칙 (계면에서의 굴절),
• 반사 경계에서의, 그리고
• 분산 – 서로 다른 파장에 대해 서로 다른 굴절률을 가지므로, 가시적인 무지개가 형성됩니다. (배경 설명은 광학 분산에 대한 Wikipedia 문서를 참조하십시오.)

스넬의 법칙과 반사/투과

스넬의 법칙은 평탄한 계면에서 입사각과 굴절각의 관계를 나타냅니다:

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

여기서 \(n_1\)과 \(n_2\)는 매질 1과 2의 굴절률이고, \(\theta_1\)과 \(\theta_2\)는 표면 법선으로부터 측정한 각도입니다.

수직 입사에서 계면의 전력 반사율 \(R\)에 대한 단순한 식은 다음과 같습니다

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

여기서 \(T\)는 투과된 전력의 비율입니다. OghmaNano는 각 광선을 프리즘과 조리개를 통해 추적할 때 이러한 개념을 (완전한 Fresnel 방정식과 함께) 사용합니다.

4단계: 검출기 출력 검사

검출기가 기록한 내용을 보려면 창 상단의 Output 탭을 클릭하십시오. 그러면 광선 추적기가 기록한 파일 목록이 ??와 유사하게 표시됩니다. 이 시점에서 가장 중요한 파일은 detector0 폴더이며, 여기에는 보라색 검출기의 출력이 저장됩니다.

detector0를 더블 클릭하십시오. 그런 다음 detector_efficiency0.csv를 더블 클릭하여 검출기가 빛을 얼마나 효율적으로 수집하는지 파장의 함수로 플롯하십시오. 이는 ??에 표시되어 있습니다.

다음으로, RAY_image.csv 파일을 더블 클릭하십시오. OghmaNano는 검출기에 도달한 모든 파장(이 데모에서는 일반적으로 약 20개의 파장 빈)으로부터 컬러 이미지를 재구성합니다. 조리개의 중앙 개구를 통과한 광선은 검출기 위의 밝은 색 영역을 형성하고, 조리개에 의해 차단된 광선은 빔 프로파일에 어두운 구멍을 남깁니다.

3D 장면을 회전시키고 광선을 시각적으로 따라가면, 이 구멍이 어떻게 형성되는지 추적할 수 있습니다: 일부 광선은 조리개 판에서 반사되고, 일부는 검출기를 완전히 빗나가며, 개구를 통과한 광선만이 ??의 밝은 영역에 기여합니다.