Symulacja śledzenia promieni – instrukcja obsługi OghmaNano

Wprowadzenie do technologii śledzenia promieni 3D

Modelowanie śledzenia promieni polega na symulacji rozchodzenia się promieni światła w przestrzeni trójwymiarowej. Jest to idealne rozwiązanie dla urządzeń o nieregularnej lub mikrostrukturalnej geometrii (np. matryc mikrosoczewek, teksturowanych podłoży, elementów służących do wydobywania światła), w których założenia optyki falowej dotyczące cienkich warstw przestają być aktualne.

Gdzie w instrukcji można znaleźć informacje na ten temat: W celu uzyskania praktycznych wskazówek dotyczących konfiguracji układu optycznego (definiowania źródeł, umieszczania detektorów, prowadzenia ścieżek promieni i odczytywania wyników), należy zapoznać się z rozdziałem Układy optyczne i śledzenie promieni. Informacje na temat sposobu rejestrowania promieni i przekształcania ich w obrazy/krzywe efektywności można znaleźć w rozdziale Detektory optyczne.

Promień jest definiowany przez punkt \(\mathbf{r}_0\) i wektor kierunku o długości jednostkowej \(\hat{\mathbf{d}}\):

\[ \mathbf{r}(t) = \mathbf{r}_0 + t\,\hat{\mathbf{d}}, \qquad t \ge 0 . \]

Po uderzeniu w powierzchnię, której wektor normalny wynosi \(\hat{\mathbf{n}}\), kierunek idealnego odbicia lustrzanego wynosi:

\[ \hat{\mathbf{d}}_{\mathrm{ref}} = \hat{\mathbf{d}} - 2\,(\hat{\mathbf{d}}\!\cdot\!\hat{\mathbf{n}})\,\hat{\mathbf{n}} . \]

Trójwymiarowe prawo Snella (postać wektorowa)

Niech \(n_1\) i \(n_2\) oznaczają odpowiednio współczynniki załamania ośrodka, w którym następuje padanie promienia, oraz ośrodka, przez który promień przechodzi. Zdefiniujmy \(\eta = \dfrac{n_1}{n_2}\) i \(c = -\,\hat{\mathbf{n}}\!\cdot\!\hat{\mathbf{d}}\) (cosinus kąta padania, przyjmując, że \(\hat{\mathbf{n}}\) wskazuje kierunek do ośrodka 1). Wówczas załamany (przechodzący) promień w kierunku \(\hat{\mathbf{d}}_{\mathrm{refr}}\) jest równy:

\[ \hat{\mathbf{d}}_{\mathrm{refr}} \;=\; \eta\,\hat{\mathbf{d}} \;+\; \bigl(\eta\,c \;-\; \sqrt{\,1 - \eta^{2}\,\bigl(1-c^{2}\bigr)}\,\bigr)\,\hat{\mathbf{n}} . \]

Argument oparty na pierwiastku kwadratowym uwzględnia fizyczne ograniczenie wynikające z prawa Snella \(n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2\). Jeśli

\[ 1 - \eta^{2}\,\bigl(1-c^{2}\bigr) \;<\; 0, \]

w takim przypadku nie istnieje żadne rzeczywiste rozwiązanie, a promień światła ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu; w tej sytuacji należy zastosować metodę opisaną w punkcie \(\hat{\mathbf{d}}_{\mathrm{ref}}\).

Podział energii (opcjonalnie)

Aby określić podział energii między odbiciem i transmisją, należy użyć współczynników Fresnela (uśrednionych dla światła niepolaryzowanego):

\[ R \;=\; \tfrac{1}{2}\!\left( \left|\frac{n_2 c - n_1 c'}{n_2 c + n_1 c'}\right|^{2} \;+\; \left|\frac{n_1 c - n_2 c'}{n_1 c + n_2 c'}\right|^{2} \right),\qquad T = 1 - R, \]

gdzie \(c' = \sqrt{\,1 - \eta^{2}\,(1-c^{2})\,}\) to \(\cos\theta_2\). W przypadku materiałów absorbujących należy stosować zespolone współczynniki załamania \(n = n' + i\kappa\).

Następny krok (przykład): Jeśli chcesz zobaczyć wykresy przedstawiające przepustowość, zniekształcenia i zależność wydajności od długości fali dla rzeczywistej soczewki składającej się z wielu elementów, przejdź do Cooka Triplet (część A). Jeśli chcesz szybko zapoznać się z wynikami i ustawieniami śledzenia promieni, zacznij od demonstracji z czajnikiem.

Typowe zastosowania

Wydobywanie światła w diodach OLED z wykorzystaniem podłoży o określonej strukturze
Rozpraszanie/absorpcja w ogniwach słonecznych o powierzchni o strukturze teksturowanej lub mikrostrukturze.
Wprowadzanie światła do światłowodów i układów soczewek.
Straty związane z opakowaniem oraz analiza rozproszenia światła w urządzeniach 3D.

Powiązane samouczki i edytory: Źródła światła, Detektory optyczne, Edytor płaszczyzny S oraz Systemy optyczne i śledzenie promieni.