Tutorial de Ray-Tracing (Parte A): Playground de Prisma e Bule

🎯 Objetivos de aprendizagem

Carregar e executar uma simulação básica de ray-tracing 3D no OghmaNano.
Identificar fontes, prismas, aberturas e detectores na visualização de ray-tracing.
Visualizar reflexão, refração e dispersão em um sistema com prisma.
Inspecionar as saídas do detector (curvas de eficiência e imagens renderizadas).

📦 Pré-requisitos

OghmaNano instalado e funcionando.
Familiaridade básica com a lei de Snell e reflexão/transmissão.

⏱ Tempo estimado

Parte A: 10–15 min
Partes posteriores (B, C…): 15–20 min cada
No total, cerca de 1 h dependendo de quanto você explorar.

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Neste tutorial você usará a Optical Workbench do OghmaNano para interagir com uma cena colorida de ray-tracing contendo prismas, uma abertura, um detector e (nas partes posteriores) um bule CAD. O objetivo não é construir uma câmera realista, mas oferecer um playground para explorar os principais recursos: iniciar simulações, rotacionar objetos, observar perfis de feixe e examinar o que o detector “vê”.

Começamos com uma demonstração de prisma pré-construída. Esta cena já inclui:

Dois prismas vermelhos no caminho óptico.
Uma fonte de raios verde que lança fótons no sistema.
Uma abertura que bloqueia raios fora do furo central.
Um detector roxo que coleta todos os raios que passam por ele.

Quando você executar a simulação, verá reflexão, refração e dispersão em ação, e poderá inspecionar tanto a eficiência do detector quanto uma imagem renderizada do que o detector visualiza.

Passo 1: Criar uma nova simulação de ray-tracing

Inicie o OghmaNano a partir do menu Iniciar do Windows. Na janela inicial, selecione Nova simulação. Isso abre a janela da biblioteca de dispositivos mostrada em ??. Dê um duplo clique na pasta Ray tracing (destacada) para abrir a lista de exemplos de ray-tracing, mostrada em ??.

Janela de nova simulação do OghmaNano com a pasta de exemplos de Ray tracing destacada — A janela *Nova simulação*. Selecione a pasta **Ray tracing** para abrir a biblioteca de exemplos de ray-tracing.

Janela de exemplos de ray-tracing com a demonstração do prisma destacada — Dentro da biblioteca **Ray tracing**, selecione a **Demonstração do prisma**. Este exemplo contém dois prismas, uma fonte, uma abertura e um detector.

Dê um duplo clique em Demonstração do prisma, depois escolha uma pasta na qual você tenha permissão de escrita e salve a simulação. Para melhor desempenho, salve em um disco local (por exemplo C:\) em vez de uma unidade de rede ou nuvem.

Passo 2: Explorar a cena padrão

Após carregar o exemplo, a janela principal da Optical Workbench abre como mostrado em ??. A cena contém os principais componentes ópticos que você usará ao longo deste tutorial:

Setas verdes (esquerda): uma fonte óptica que lança raios de diferentes comprimentos de onda.
Dois prismas vermelhos: elementos ópticos volumétricos que refratam e refletem os raios.
Placa de abertura vermelha: uma placa com uma abertura central que deixa alguns raios passarem enquanto bloqueia outros.
Grade roxa (topo): um detector que coleta raios, semelhante a um CCD em uma câmera.

Use o mouse para observar a cena. O botão esquerdo do mouse rotaciona a visualização, enquanto o botão direito do mouse desloca a cena. Você pode ampliar e reduzir usando a roda do mouse. No lado esquerdo da janela você verá botões rotulados XY, YZ e XZ. Eles ajustam a câmera para olhar diretamente ao longo de cada plano, o que pode ser útil ao reposicionar objetos ou verificar alinhamento.

Janela de simulação da Optical Workbench mostrando prismas, um detector, uma fonte e uma abertura — A cena padrão da **demonstração do prisma**. Dois prismas ficam entre a fonte verde e o detector roxo. Uma placa de abertura vermelha à direita permite que apenas os raios que passam pela sua abertura central continuem.

Simulação de ray-tracing em execução, mostrando raios coloridos refletindo e refratando através dos prismas e da abertura — Após executar a simulação, raios coloridos se propagam a partir da fonte, refratam dentro dos prismas e passam ou são bloqueados pela abertura antes de alcançar o detector.

Passo 3: Executar a simulação

Clique no botão Executar simulação (ícone azul de reprodução) ou pressione F9. OghmaNano traça raios da fonte, através dos prismas e da abertura, até o detector. Quando a execução termina, a cena fica semelhante a ??.

As faixas coloridas mostram como diferentes comprimentos de onda seguem caminhos diferentes através dos prismas. Esta é uma demonstração simples de:

Lei de Snell (refração em uma interface),
Reflexão em contornos, e
Dispersão – diferentes índices de refração para diferentes comprimentos de onda, levando a um arco-íris visível. (Veja o artigo da Wikipedia sobre dispersão óptica para contexto.)

Lei de Snell e reflexão/transmissão

A lei de Snell relaciona os ângulos de incidência e refração em uma interface plana:

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

onde \(n_1\) e \(n_2\) são os índices de refração do meio 1 e 2, e \(\theta_1\) e \(\theta_2\) são os ângulos medidos a partir da normal à superfície.

Em incidência normal, uma expressão simples para a refletância de potência \(R\) em uma interface é

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

onde \(T\) é a fração transmitida de potência. OghmaNano usa essas ideias (juntamente com as equações completas de Fresnel) ao traçar cada raio através dos prismas e da abertura.

Passo 4: Inspecionar as saídas do detector

Para ver o que o detector registrou, clique na aba Saída na parte superior da janela. Você verá a lista de arquivos gravados pelo traçador de raios, semelhante a ??. O arquivo mais importante neste ponto é a pasta detector0, que armazena as saídas do detector roxo.

Aba de saída mostrando a pasta detector0 e outros arquivos de resultado de ray-tracing — A aba **Saída** da demonstração do prisma. O ícone `detector0` contém todos os resultados associados ao detector principal: curvas de eficiência, imagens e dados CSV.

Conteúdo de detector0 mostrando detector_abs0.csv, detector_efficiency0.csv, detector_input0.csv e RAY_image.csv — Dentro de `detector0` você encontrará os principais arquivos de saída do detector, incluindo `detector_efficiency0.csv` (eficiência vs comprimento de onda) e `image` (uma visualização renderizada do campo no detector).

Dê um duplo clique em detector0. Depois dê um duplo clique em detector_efficiency0.csv para plotar quão eficientemente o detector coleta luz em função do comprimento de onda, como mostrado em ??.

Gráfico de eficiência do detector mostrando eficiência de emissão versus comprimento de onda — O espectro de eficiência do detector. Neste exemplo, cerca de 23–29 % dos raios em um dado comprimento de onda alcançam o detector, dependendo de como são refratados e bloqueados pelos prismas e pela abertura.

Imagem renderizada do detector mostrando um perfil de feixe colorido com um furo central causado pela abertura — O arquivo `RAY_image.csv` mostra uma imagem renderizada do que seu olho veria se estivesse colocado no plano do detector. Observe o “furo” no centro do feixe, onde a abertura bloqueou os raios.

Em seguida, dê um duplo clique no arquivo RAY_image.csv. OghmaNano reconstrói uma imagem colorida a partir de todos os comprimentos de onda que alcançaram o detector (tipicamente cerca de 20 bins de comprimento de onda nesta demonstração). Os raios que passaram pela abertura central na abertura formam a região colorida brilhante no detector; os raios bloqueados pela abertura deixam um furo escuro no perfil do feixe.

Se você rotacionar a cena 3D e seguir os raios visualmente, poderá rastrear como esse furo se forma: alguns raios são refletidos pela placa de abertura, alguns não atingem o detector, e apenas os raios que passam pela abertura contribuem para a região brilhante em ??.

👉 Próximo passo: Continue para a Parte B de prismas para lentes.