什么是光线追踪？
光线追踪的定义
在光子学/光学工程软件中，光线追踪是一种用于描述电磁（光学）波前在系统中传播的技术。光线是由表面上的离散点构成的直线，这些点代表了波前在光学系统中传播时的局部位置。
这些光线垂直于局部波前，在各向同性介质中沿直线传播。根据斯涅尔定律，光线在折射界面处会改变方向；根据反射定律，光线在反射界面处会发生反射。在衍射界面处，光线会根据矢量光栅衍射方程改变方向；而在非各向同性介质中，光线则遵循描述梯度折射率材料的方程。
当光线与散射表面相互作用时，其传播特性会根据描述散射现象的方程发生改变。光线还具有其他属性，例如强度、偏振特性以及“光程”（即物理路径乘以介质的折射率），这些属性在界面处也会相应地发生改变。
图1和图2。 通过光学系统追踪光路的示例 。
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光线追踪解决了什么问题？
借助光线追踪技术，可以模拟光波前在各种介质中的传播行为。光线追踪技术能够帮助确定成像系统的渲染图像质量、照明系统的光分布等诸多方面。将光线追踪与光学系统参数的优化相结合，可以自动提升成像或照明性能，从而实现预期目标。
您可以将光线追踪结果用于多种诊断和分析目的。例如，您可以通过逆向追踪穿过显微镜物镜的光线，来评估其成像质量，从而了解光线聚焦的效果如何。
图3.显微镜物镜的剖面图，将光线聚焦在盖玻片下的特定位置。
图4. 对于通过显微镜物镜追踪的光线，轴向光会形成一个紧密的焦点。
图中的圆圈表示衍射极限光斑尺寸。这些点表示不同波长（颜色）光线（此处为红、绿、蓝三色）追踪至焦点的交点。这种截线图——通常称为光斑图——是光学设计中常用的诊断工具。
您还可以优化光线追踪的行为，以实现所需的光照分布或光斑尺寸。软件内光线追踪的一大优势在于，您可以对该过程进行高度并行化处理（并通过其他方法加快速度），从而实现比传统方法快得多的模拟速度。
在成像软件中，只需相对较少的光线（10 至 1000 条）即可进行精确的模拟。设计成像系统的目标是获得尽可能最佳的图像。典型的性能指标包括调制传递函数（MTF）、点扩散函数和光斑尺寸。
对于照明软件而言，其目标是控制光的分布，通常并不关注成像。在这种情况下，您需要追踪数量庞大的光线（通常为1000到数百万条），这通常通过一种称为蒙特卡洛模拟的过程来实现。您定义光源，追踪数百万条光线，并优化系统以生成所需的照明图案。
光线追踪为何对光学仿真至关重要？
与更精确的电磁波传播方法相比，光线追踪是一种重要的模拟技术，其优势在于（在许多情况下）兼具相对较高的精度和普遍的计算效率。您可以将光线追踪与其他计算算法相结合，以更精确地模拟物理现象。
例如，您可以追踪一组光线至光学系统的出瞳，并记录每条光线的强度（振幅**2）和相位（光程）。对该复场（振幅和相位）进行傅里叶变换，即可模拟图像结构的强度，包括衍射效应。
哪款是适合我的是德科技光线追踪解决方案？
图5. 在CODE V中模拟的宽角接收机三维 视图。
代码V
在设计光学系统时，工程师需要功能强大且稳定的软件，以获得快速、准确的结果。在更短时间内完成可靠的光学设计优化，不仅能节省时间和成本，还能保障企业的盈利能力。是德科技的光线追踪软件产品组合正是基于这一理念开发，旨在满足对卓越光学设计的需求。选择合适的软件取决于您的具体应用场景。
图6. LiDAR 光学系统，在LightTools中模拟
光工具
在设计通用照明、背光显示屏、LED 以及车内照明时，是德科技 LightTools 照明设计软件可对照明系统设计进行建模和优化。
图 7. Deep FFD 反射器，在 LucidShape 中模拟
LucidShape
在汽车前照灯、尾灯和信号灯的设计建模及实时仿真方面，是德科技 LucidShape 软件提供了一套完整的设计、仿真和分析工具。
RSoft 光子器件工具
如果您需要使用光线追踪技术对透镜系统进行仿真，且几何尺寸较小，那么在仿真器之间传递场数据，或者采用混合仿真，可能是理想的选择。RSoft 光子器件工具包含一个接口，可用于将 CODE V 的输出进行转换，反之亦然。
超越光线追踪
借助额外的模块、功能和工具，即使面对最具挑战性的设计，也能全面实现光线追踪。是德科技的软件具备工程师所需的灵活性及附加功能，可帮助优化设计：
- 丰富的内置库
- 针对特殊系统的非顺序表面建模
- 快速的2D图像仿真，用于可视化光学系统性能
- 杂散光分析
- 增强型背光图案优化
- 自由造型设计功能，可对光线分布进行更精细的控制
- 增强的可视化效果与精准的逼真计算机生成图像
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