Головна Приклади Знімки екрана Інструкція користувача Логотип Bluesky. YouTube ☰
OghmaNano Мультифізична платформа для моделювання оптоелектронних пристроїв і фотонних систем. ЗАВАНТАЖИТИ Короткий посібник зі швидкого старту

Навчальний посібник з трасування променів (частина А): «Призма та ігровий майданчик із чайником»

У цьому навчальному посібнику ви використовуватимете оптичний модуль OghmaNano, щоб попрацювати з барвистою сценою трасування променів, яка містить призми, діафрагму, детектор і (в наступних частинах) тривимірну модель чайника. Мета полягає не в тому, щоб створити реалістичну камеру, а в тому, щоб надати вам можливість експериментувати з основними функціями: запускати моделювання, обертати об’єкти, переглядати профілі променів і вивчати, що «бачить» детектор.

Ми починаємо з готової демонстраційної сцени, що містить призму. Ця сцена вже містить:

Під час запуску моделювання ви побачите, як відбуваються відбиття, заломлення та розсіювання, і зможете перевірити ефективність детектора, а також переглянути відтворене зображення того, що бачить детектор.

Крок 1: Створіть нову симуляцію трасування променів.

Запустіть OghmaNano з меню «Пуск» у Windows. У початковому вікні виберіть «Нова симуляція». Відкриється вікно бібліотеки пристроїв, показане на ??. Двічі клацніть на папці «Трасування променів» (виділено), щоб відкрити список прикладів трасування променів, показаний на ??.

OghmaNano new simulation window with the Ray tracing examples folder highlighted
Нове вікно симуляції. Виберіть папку з матеріалами для трасування променів, щоб відкрити бібліотеку прикладів трасування променів.
Ray-tracing examples window with the Prism demo highlighted
У бібліотеці трасування променів оберіть демонстраційну програму «Призма». Цей приклад містить дві призми, джерело світла, апертуру та детектор.

Двічі клацніть на значку програми Prism Demo, потім виберіть папку, до якої у вас є право на запис, і збережіть результати моделювання. Для досягнення найкращої продуктивності зберігайте їх на локальному диску (наприклад, на диску C:\), а не на мережевому або хмарному накопичувачі.

Крок 2: Ознайомтеся зі стандартною сценою.

Після завантаження прикладу відкривається головне вікно «Оптичної робочої станції», як показано на ??. У сцені містяться основні оптичні компоненти, які ви використовуватимете протягом цього навчального посібника:

Використовуйте мишу, щоб оглянути сцену. Ліва кнопка миші обертає зображення, а права кнопка миші дозволяє переміщувати сцену. Ви можете збільшувати та зменшувати масштаб за допомогою коліщатка миші. У лівій частині вікна ви побачите кнопки з позначеннями XY, YZ і XZ. Вони встановлюють попередньо задані кути огляду камери, щоб вона була спрямована безпосередньо вздовж кожної площини, що може бути корисним під час зміни положення об’єктів або перевірки їхнього вирівнювання.

Optical Workbench simulation window showing prisms, a detector, a source and an aperture
Стандартна демонстраційна сцена з використанням призми. Дві призми розташовані між зеленим джерелом світла та фіолетовим детектором. Червона діафрагма праворуч пропускає лише ті промені, які проходять через її центральний отвір.
Ray-tracing simulation running, showing coloured rays reflecting and refracting through the prisms and aperture
Після проведення моделювання кольорові промені поширюються від джерела, заломлюються всередині призм і або проходять крізь отвір, або блокуються ним, перш ніж досягти детектора.

Крок 3: Запустіть симуляцію.

Натисніть на Запустити моделювання. кнопка (синій значок відтворення) або натисніть. F9OghmaNano відстежує шляхи променів від джерела, через призми та апертуру, до детектора. Після завершення обчислення зображення виглядає приблизно так: ??.

Кольорові смуги показують, як різні довжини хвиль поширюються різними шляхами крізь призми. Це проста демонстрація:

Закон Снелла та явище відбиття/пропускання.

Закон Снелла встановлює зв’язок між кутами падіння та заломлення на плоскій межі поділу:

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

де \(n_1\) і \(n_2\) — показники заломлення середовищ 1 і 2, а \(\theta_1\) і \(\theta_2\) — кути, виміряні відносно нормалі до поверхні.

За умови нормального падіння променя проста формула для коефіцієнта відбиття потужності \(R\) на межі розділу матеріалів має вигляд:

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

де \(T\) – це частка потужності, яка передається. OghmaNano використовує ці ідеї (разом із повним набором рівнянь Френеля) під час відстеження кожного променя, що проходить крізь призми та апертуру.

Крок 4: Перевірте вихідні дані детектора.

Щоб переглянути дані, які зафіксував детектор, натисніть вкладку «Результат» у верхній частині вікна. Ви побачите список файлів, створених програмою трасування променів, який буде схожий на ??. На даному етапі найважливішою є папка «detector0», в якій зберігаються дані, отримані від фіолетового детектора.

Output tab showing the detector0 folder and other ray-tracing result files
Вкладка «Результати» для демонстраційної версії програми «Prism». Значок detector0 містить усі результати, пов’язані з основним детектором: графіки ефективності, зображення та дані у форматі CSV.
Contents of detector0 showing detector_abs0.csv, detector_efficiency0.csv, detector_input0.csv and RAY_image.csv
У папці detector0 ви знайдете основні файли з даними детектора, зокрема detector_efficiency0.csv (залежність ефективності від довжини хвилі) та image (зображення поля детектора).

Двічі клацніть на детекторі 0. Потім двічі клацніть на detector_efficiency0.csv, щоб побудувати графік, який показує, наскільки ефективно детектор збирає світло залежно від довжини хвилі, як показано на ??.

Detector efficiency plot showing efficiency of emission versus wavelength
Спектр ефективності детектора. У цьому прикладі приблизно 23–29 % променів певної довжини хвилі досягають детектора, залежно від того, як вони заломлюються та блокуються призмами та діафрагмою.
Rendered detector image showing a coloured beam profile with a central hole caused by the aperture
У файлі RAY_image.csv зображено відтворене зображення того, що бачило б ваше око, якби воно знаходилося в площині детектора. Зверніть увагу на «отвір» у центрі променя, де діафрагма перегородила промені.

Далі двічі клацніть файл RAY_image.csv. Програма OghmaNano відтворює кольорове зображення на основі всіх довжин хвиль, які досягли детектора (зазвичай близько 20 діапазонів довжин хвиль у цій демонстраційній версії). Промені, які пройшли через центральний отвір у діафрагмі, утворюють яскравий кольоровий фрагмент на детекторі; промені, заблоковані діафрагмою, залишають темну ділянку в профілі променя.

Якщо ви повертатимете тривимірну сцену та візуально стежитимете за променями, ви зможете простежити, як утворюється ця дірка: деякі промені відбиваються від діафрагми, деякі взагалі не досягають детектора, і лише промені, які проходять через отвір, сприяють утворенню яскравої ділянки на ??.

👉 Наступний крок: перейдіть до Частина B, де розглядатимуться перехід від призм до лінз. Загальну інформацію про оптичні системи та моделювання трасування променів можна знайти в Огляд оптичних систем і моделювання трасування променів.