☰
OghmaNano містить вдосконалений тривимірний розв’язувач задач трасування променів для моделювання оптичних систем, лінз, діафрагм, нерівних поверхонь, мікролінз і структурованих оптоелектронних компонентів. Модуль трасування променів розроблено для вирішення задач в області оптики зображення, оптичного фільтрування, розсіювання на поверхні, видобутку світла та геометричного проєктування оптичних систем. Поєднуючи чітку тривимірну геометрію з матеріальними властивостями, що залежать від довжини хвилі, цей розв’язувач дозволяє користувачам аналізувати, як світло поширюється через реалістичні оптичні компоненти та цілісні конструкції.
Цю саму модель можна застосувати до широкого спектру оптичних систем, зокрема до об’єктивів Кука, об’єктивів із великою фокусною відстанню, загальних демонстрацій трасування променів, відбиття від нерівних плівок, випромінювання світла зі структурованих плівок і демонстрацій мікролінз і оптичного фільтрування. Оскільки розв’язувач працює безпосередньо з променями, що проходять через повну тривимірну геометрію, він особливо корисний для вивчення фокусування, аберацій, ефективності збору світла, реакції детектора та залежності від довжини хвилі в оптичних системах, які є надто складними для простіших параксіальних наближень.
OghmaNano надає спеціалізовані інструменти для визначення джерел світла, розміщення оптичних детекторів і редагування оптичних систем на основі лінз за допомогою редактора S-площини. На практиці це дає змогу користувачам перейти від компактної схеми лінзи до повноцінної тривимірної сцени, відстежувати промені в різних діапазонах довжин хвиль і аналізувати як геометрію, так і отримане зображення на площині детектора в межах одного робочого процесу.
Програма для розв’язання задач трасування променів поширює оптичні промені крізь тривимірну сцену, яка містить поверхні, об’ємні середовища, отвори та площини детектора. На кожній межі програма застосовує відповідне геометрико-оптичне оновлення, щоб промені могли відбиватися, заломлюватися, проходити крізь середовище або поглинатися, залежно від локальних властивостей матеріалу та геометрії. У найпростішому вигляді заломлення описується законом Снелліуса.
\[ n_1 (\mathbf{k_i} \times \mathbf{n}) = n_2 (\mathbf{k_t} \times \mathbf{n}) \]
під час відбиття та проходження світла через межу двох середовищ ці процеси залежать від показників заломлення та локальної геометрії падіння променя. У практичних оптичних моделюваннях це означає, що кривизна лінзи, відстань між елементами, розмір апертури та показник заломлення, який залежить від довжини хвилі, безпосередньо впливають на кінцеве зображення та загальну пропускну здатність системи.
На відміну від повнохвильових електромагнітних розв’язувачів, метод трасування променів призначений для задач, у яких оптична довжина хвилі значно менша за характерні розміри об’єкта і де світло можна точно представити у вигляді направлених променів. Це робить метод особливо ефективним для багатоелементних лінз, макроскопічних оптичних систем, мікролінзових систем, а також для задач розсіювання або вилучення на структурованих поверхнях. Крім того, це робить цей розв’язувач природним доповненням до інших інструментів оптичного комплексу OghmaNano, де геометрична оптика доповнює методи, засновані на хвильовій теорії, такі як FDTD та метод матриці передачі.
Кожна симуляція трасування променів залежить від трьох основних компонентів: джерела, оптичної системи та детектора. У OghmaNano джерело налаштовується за допомогою редактора light-source, де користувач може визначити форму променя, довжину хвилі або спектральний діапазон, кутову розподільну характеристику та характеристики випромінювання. Це дає змогу моделювати все: від простих паралельних променів до складніших структурованих або багатохвильових джерел.
Сама оптична система розробляється з використанням тривимірної геометрії, а для систем, що використовують лінзи, застосовується відповідний підхід. Редактор S-площиниПлощина S забезпечує компактне відображення конструкції лінзи, в якій радіуси, товщини, матеріали, діаметри та відстані можна редагувати безпосередньо, при цьому зберігаючи зв’язок із базовим тривимірним оптичним середовищем. Це особливо корисно для класичних багатоелементних систем, таких як система Кука, і для автоматизованого сканування параметрів у просторі конструкції лінзи.
Потім детектори вимірюють результат роботи оптичної системи. Вони можуть фіксувати інтенсивність проміння, зображення на площині детектора, залежність ефективності від довжини хвилі або інші похідні оптичні величини, залежно від налаштувань моделювання. Разом редактор джерела, редактор площини S і інструменти для роботи з детекторами перетворюють модуль трасування променів на практичне середовище для оптичного проєктування, оптичної характеристики та аналізу продуктивності на основі геометрії.
Однією з переваг середовища трасування променів OghmaNano є те, що воно не обмежується окремими ручними обчисленнями. Оптичні системи можна вивчати систематично за допомогою автоматизованого сканування параметрів і аналізу показників ефективності. Це дає змогу користувачам змінювати радіуси, товщину, відстань між елементами, налаштування діафрагми або інші геометричні параметри в серії симуляцій, а потім кількісно порівнювати отримані результати оптичної продуктивності.
На практиці це робить модуль трасування променів корисним не лише для візуалізації променів, але й для виконання справжніх оптичних розрахунків. Розмір плями, ефективність детектора, якість зображення, показники, що характеризують розподіл енергії, та інші пов’язані оптичні параметри можна отримати та порівняти в різних діапазонах параметрів. Таким чином, користувачі можуть перейти від візуалізацій, що допомагають сформувати інтуїтивне розуміння, до більш систематизованих процесів оптимізації лінз, не покидаючи звичного середовища.
Цей підхід, що передбачає сканування та оптимізацію, є особливо цінним для багатокомпонентних систем, де продуктивність залежить від кількох взаємопов’язаних параметрів проєктування. Крім того, він перетворює обчислювальний модуль на практичну платформу для аналізу допустимих відхилень, дослідження простору проєктування та швидкого порівняння альтернативних оптичних схем.
Програма для розв’язання задач трасування променів може використовуватися для широкого спектру реальних оптичних задач. У галузі оптики зображення вона може моделювати багатокомпонентні лінзи, діафрагми, фокальні площини та зображення, отримані детекторами, як показано на рисунок ??, рисунок ?? та рисунок ??. У цих системах програму можна використовувати для вивчення аберацій, розміру діафрагми, характеристик фокусування, формування зображення та залежності пропускної здатності від довжини хвилі.
Ця ж модель також є корисною для вивчення взаємодії світла з плівками та структурованими поверхнями, зокрема для аналізу відбиття від шорстких плівок, виходу світла з текстурованих шарів, а також для покращення збору або фільтрації світла за допомогою мікролінз. Оскільки метод застосовується безпосередньо до тривимірної геометрії, його також можна використовувати для вивчення більш складних оптичних систем, де важливим є повний шлях проходження світла через структуру.
Оскільки OghmaNano підтримує сканування довжин хвиль, зчитування даних з детекторів і автоматизовані сканування, цей інструмент добре підходить як для швидких дослідницьких моделювань, так і для більш систематизованих процесів оптичного проєктування. Це робить його корисним у різних сферах, починаючи від класичного проєктування лінз і закінчуючи оптоелектронною упаковкою та оптикою зі структурованою поверхнею.
OghmaNano містить дедалі більшу кількість прикладів трасування променів і покрокових навчальних матеріалів. Вони охоплюють як базові робочі процеси оптичних систем, так і більш складні способи використання параметричних сканувань, показників якості, нерівних поверхонь і мікролінзових структур. Вони призначені для того, щоб допомогти користувачам швидко перейти від геометричної моделі до робочої оптичної симуляції, а потім до оптимізації або аналізу.
Корисними відправними точками є вступ до оптичних систем і трасування променів, навчальний посібник з лінзи Кука, приклад об’єктива з фіксованою фокусною відстанню 200 мм, огляд функції трасування променів, навчальний посібник з автоматизованого сканування параметрів у площині S і робочий процес визначення ключових показників. Для оптики зі структурованою поверхнею відбиття на нерівній плівці, вихід світла і демонстрація мікролінзи показують, як ту саму систему трасування променів можна використовувати за межами класичних лінзових систем.
Спробуйте приклад із застосуванням трасування променів.
Почніть з вступу до оптики та методів трасування променів, а потім перейдіть до навчальних матеріалів про об’єктив Кука, об’єктиви з фіксованою фокусною відстанню або автоматизоване сканування параметрів.
Щоб створити власні системи, почніть із джерел світла, оптичних детекторів і редактора S-площини.