☰
OghmaNano zawiera zaawansowany trójwymiarowy moduł śledzenia promieni do modelowania układów optycznych, soczewek, przysłon, chropowatych powierzchni, mikrosoczewek oraz złożonych struktur optoelektronicznych. Moduł śledzenia promieni został zaprojektowany do rozwiązywania problemów związanych z optyką obrazowania, filtrowaniem optycznym, rozpraszaniem światła na powierzchniach, ekstrakcją światła oraz geometrycznym projektowaniem układów optycznych. Dzięki połączeniu precyzyjnej, trójwymiarowej geometrii z właściwościami materiałów zależnymi od długości fali, moduł umożliwia użytkownikom analizę sposobu, w jaki światło rozchodzi się przez realistyczne elementy optyczne i całe układy.
Tę samą metodę można zastosować do szerokiej gamy układów optycznych, w tym do: obiektywów Cooke typu triplet, obiektywów stałoogniskowych o dużej ogniskowej, ogólnych demonstracji śledzenia promieni, odbicia od chropowatych warstw, rozpraszania światła przez warstwy o określonej strukturze oraz demonstracji działania mikrosoczewek i filtrów optycznych. Ponieważ algorytm działa bezpośrednio na śledzonych promieniach w pełnej, trójwymiarowej geometrii, jest szczególnie przydatny do badania ogniskowania, aberracji, efektywności zbierania światła, reakcji detektora oraz zależności od długości fali w układach optycznych, które są zbyt złożone, aby można było zastosować do nich prostsze przybliżenia paraksjalne.
OghmaNano oferuje specjalistyczne narzędzia do definiowania źródeł światła, umieszczania detektorów optycznych oraz edycji systemów optycznych opartych na soczewkach, wykorzystując edytor płaszczyzny S. W praktyce umożliwia to użytkownikom przejście od prostego układu soczewek do pełnej, trójwymiarowej sceny, śledzenie promieni w różnych zakresach długości fal oraz analizę zarówno geometrii, jak i wynikowego obrazu na płaszczyźnie detektora, wszystko to w ramach jednego procesu.
Rozwiązywacz oparty na śledzeniu promieni propaguje promienie światła przez trójwymiarową scenę, zawierającą powierzchnie, materiały o określonych właściwościach optycznych, otwory i płaszczyzny detektorów. Na każdym interfejsie rozwiązywacz stosuje odpowiednie poprawki zgodnie z zasadami geometrii optycznej, dzięki czemu promienie mogą być odbijane, załamywane, transmitowane lub pochłaniane, w zależności od lokalnych właściwości materiału i geometrii. W najprostszej formie załamanie światła jest regulowane prawem Snella.
\[ n_1 (\mathbf{k_i} \times \mathbf{n}) = n_2 (\mathbf{k_t} \times \mathbf{n}) \]
natomiast odbicie i załamanie światła na granicy dwóch ośrodków zależą od współczynników załamania i lokalnej geometrii padania promienia. W praktycznych symulacjach optycznych oznacza to, że krzywizna soczewki, odległość między elementami, rozmiar apertury oraz zależny od długości fali współczynnik załamania mają bezpośredni wpływ na ostateczny obraz i wydajność całego systemu.
W przeciwieństwie do pełnookresowych solverów elektromagnetycznych, metoda śledzenia promieni jest przeznaczona do rozwiązywania problemów, w których długość fali optycznej jest znacznie mniejsza niż charakterystyczne wymiary geometryczne, a światło można dokładnie opisać za pomocą skierowanych promieni. Dzięki temu metoda ta jest szczególnie wydajna w przypadku układów wieloelementowych soczewek, makroskopowych układów optycznych, systemów mikrosoczewek oraz problemów związanych z rozpraszaniem lub ekstrakcją na powierzchniach o złożonej strukturze. Ponadto, sprawia to, że solver ten doskonale współdziała z pozostałymi narzędziami optycznymi OghmaNano, gdzie geometria optyczna uzupełnia metody oparte na falach, takie jak FDTD i modelowanie macierzowe.
Każda symulacja śledzenia promieni opiera się na trzech podstawowych elementach: źródle, układzie optycznym i detektorze. W programie OghmaNano źródło jest konfigurowane za pomocą edytora light-source editor, w którym użytkownik może zdefiniować kształt wiązki, długość fali lub zakres widma, rozkład kątowy oraz charakterystykę emisji. Dzięki temu możliwe jest modelowanie zarówno prostych, równoległych wiązek, jak i bardziej złożonych, ustrukturyzowanych lub wielodługościowych źródeł.
Sam system optyczny jest konstruowany z wykorzystaniem geometrii trójwymiarowej, a w przypadku systemów opartych na soczewkach – za pomocą edytora S-plane. Płaszczyzna S zapewnia zwięzły widok projektu soczewki, w którym można bezpośrednio edytować promienie, grubości, materiały, średnice i odległości, przy jednoczesnym zachowaniu powiązania z podstawowym trójwymiarowym modelem optycznym. Jest to szczególnie przydatne w przypadku klasycznych systemów wieloelementowych, takich jak układ Cooke, oraz do automatycznego przeszukiwania przestrzeni parametrów w projekcie soczewki.
Następnie detektory mierzą wynik działania układu optycznego. Mogą rejestrować natężenie promieniowania, obrazy na płaszczyźnie detektora, zależność efektywności od długości fali lub inne, wyprowadzone parametry optyczne, w zależności od konfiguracji symulacji. Razem, edytor źródła, edytor płaszczyzny S oraz narzędzia do obsługi detektorów przekształcają moduł śledzenia promieni w praktyczne środowisko do projektowania układów optycznych, charakteryzacji optycznej oraz analizy wydajności opartej na geometrii.
Jedną z zalet środowiska OghmaNano do śledzenia promieni jest to, że nie ogranicza się ono do pojedynczych, ręcznie wykonywanych symulacji. Systemy optyczne można analizować w sposób systematyczny, wykorzystując automatyczne skanowanie parametrów i analizę wskaźników jakości. Pozwala to użytkownikom zmieniać promienie, grubości, odległości, ustawienia apertury lub inne parametry geometryczne w serii symulacji, a następnie porównywać uzyskane wyniki pod względem jakości optycznej.
W praktyce oznacza to, że moduł śledzenia promieni jest przydatny nie tylko do wizualizacji promieni, ale również do prowadzenia rzeczywistych prac nad projektowaniem układów optycznych. Można w nim analizować i porównywać takie parametry, jak wielkość plamki, efektywność detektora, jakość obrazu, wskaźniki dotyczące rozkładu energii oraz inne istotne parametry optyczne. Dzięki temu użytkownicy mogą przechodzić od wizualizacji, które pomagają w zrozumieniu zasad działania, do bardziej systematycznych procesów optymalizacji soczewek, nie opuszczając tego samego środowiska pracy.
To podejście, polegające na analizie i optymalizacji, jest szczególnie przydatne w przypadku systemów składających się z wielu elementów, w których wydajność zależy od kilku wzajemnie powiązanych zmiennych projektowych. Ponadto, dzięki temu rozwiązaniu, program staje się praktycznym narzędziem do analizy tolerancji, eksploracji przestrzeni projektowej oraz szybkiego porównywania różnych wariantów układów optycznych.
Metoda śledzenia promieni może być wykorzystywana do rozwiązywania szerokiego zakresu rzeczywistych problemów optycznych. W optyce obrazowania pozwala modelować obiektywy wieloelementowe, przysłony, płaszczyzny ogniskowe i obrazy rejestrowane przez detektory, co przedstawiono na Rysunek ??, Rysunek ?? i Rysunek ??. W takich systemach można wykorzystać tę metodę do badania aberracji, wpływu wielkości przysłony, zachowania podczas ogniskowania, tworzenia obrazu oraz zależności przepustowości od długości fali.
Ten sam model jest również przydatny w analizie oddziaływania światła z cienkimi warstwami i strukturami powierzchniowymi, w tym odbicia od chropowatych powierzchni, rozpraszania w warstwach o określonej fakturze oraz wzmocnionej przez mikrosoczewki kolekcji lub filtracji światła. Ponieważ metoda działa bezpośrednio na trójwymiarowej geometrii, można ją również wykorzystać do badania bardziej złożonych układów optycznych, w których istotna jest pełna ścieżka światła przechodzącego przez strukturę.
Ponieważ OghmaNano obsługuje skanowanie w różnych zakresach długości fal, odczyty z detektorów oraz automatyczne skany, program ten doskonale nadaje się zarówno do szybkich, wstępnych symulacji, jak i do bardziej systematycznych procesów projektowania układów optycznych. Dzięki temu znajduje on zastosowanie w różnych dziedzinach, od klasycznego projektowania soczewek po projektowanie układów optoelektronicznych i optyki powierzchni o strukturze.
OghmaNano zawiera coraz większą liczbę przykładów i instrukcji krok po kroku dotyczących śledzenia promieni. Obejmują one zarówno podstawowe procesy projektowania układów optycznych, jak i bardziej zaawansowane zastosowania, takie jak analiza parametrów, wskaźniki jakości, chropowate powierzchnie i struktury mikrosoczewek. Mają one pomóc użytkownikom w szybkim przejściu od modelu geometrycznego do działającej symulacji optycznej, a następnie do optymalizacji lub analizy.
Przydatne materiały wprowadzające obejmują: wprowadzenie do systemów optycznych i śledzenia promieni, samouczek dotyczący obiektywu Cooke triplet, przykład obiektywu stałoogniskowego o ogniskowej 200 mm, przegląd funkcji śledzenia promieni, samouczek dotyczący automatycznego skanowania parametrów na płaszczyźnie S oraz schemat działania w celu oceny jakości. W przypadku optyki o powierzchniach strukturalnych, odbicie od warstwy o chropowatej powierzchni, rozpraszanie światła i demonstracja działania mikrosoczewek pokazują, w jaki sposób ten sam silnik śledzenia promieni może być wykorzystywany poza klasycznymi systemami soczewek.
Wypróbuj przykład wykorzystujący technologię śledzenia promieni.
Rozpocznij od wprowadzenia do systemów optycznych i śledzenia promieni, a następnie przejdź do samouczków dotyczących układu Cooke'a, obiektywów stałoogniskowych lub automatycznego skanowania parametrów.
Aby stworzyć własne systemy, zacznij od źródeł światła, detektorów optycznych i edytora płaszczyzny S.