Was ist Raytracing?

Raytracing ist eine Berechnungsmethode, die angibt, wie sich Licht bei der Interaktion mit einem Objekt verhält. Mit dem Raytracing wird das Verhalten des Lichts simuliert, wenn die Wellenlänge des Lichts viel kleiner ist als das Objekt, mit dem es interagiert.

Raytracing verfolgt den Weg dieser Lichtstrahlen durch verschiedene optische und photonische Systeme und simuliert, wie sie bei physischer Interaktion mit verschiedenen Strukturen brechen, reflektieren oder streuen. Es gibt verschiedene Arten optischer Systeme, die Lichtstrahlen durchdringen und mit ihnen interagieren können. Viele davon sind Alltagsgegenstände wie Spiegel, Linsen oder Prismen und all diese Interaktionen lassen sich simulieren.

Es gibt jedoch einen wichtigen Unterschied. Beim Raytracing gibt es zwei Aspekte, die das Verhalten von Licht betreffen. Der am häufigsten genannte Bereich des Raytracing ist seine Verwendung in Videospielen. Mit Raytracing können Spieleentwickler*innen realistische Visualisierungen im Spiel bereitstellen, indem sie bestimmen, wie Licht von unbelebten Objekten reflektiert wird. Dies ermöglicht die Echtzeitentwicklung von Shadern und globaler Beleuchtung (Algorithmen, die 3D-Szenen eine realistische Beleuchtung verleihen). Entwickler*innen können damit auch gerenderte Bilder der Oberflächenstrukturen bereitstellen.

 Ein Videospiel ist Raytracing in Echtzeit. Dabei geht es um Geschwindigkeit, die Bereitstellung fortschrittlicher visueller Effekte durch die Spiel-Engine und eine hohe Bildqualität – auch wenn die zusätzliche Rechenleistung die Bildrate eines Spiels senkt. Das Raytracing in Spielen dreht sich um die Computergrafik und Rendering-Techniken (Rasterung usw.).

Im optischen und photonischen Raum hingegen beschreibt Raytracing die Interaktion einer Lichtquelle mit einem physischen Objekt. Dabei werden die Materialeigenschaften des Systems und die physischen Interaktionen berücksichtigt, die stattfinden. Im optischen und photonischen Bereich konzentriert sich das Raytracing auf die Genauigkeit und das Verhalten des Lichts und nicht auf die Darstellung der Realität. In diesem Artikel geht es um Letzteres beim Design von optischen und photonischen Komponenten.

Raytracing ist eine Rechenmethode, die verwendet wird, um Lichtstrahlen zu modellieren, die sich durch ein optisches System bewegen. Es wird beim Design von Linsen, Sensoren und anderen optischen Komponenten verwendet, um deren Leistung basierend auf der Interaktion des Lichts aus verschiedenen Einfallwinkeln mit einer Struktur vorherzusagen. Breitet sich Licht in der Luft aus und trifft auf ein anderes Material mit einem anderen Brechungsindex (eine Eigenschaft, die bestimmt, wie stark Licht an der Grenzfläche zweier unterschiedlicher Medien mit unterschiedlicher Dichte abgelenkt wird), werden die Lichtstrahlen durch das neue Medium gebrochen und ein Teil wird reflektiert.

Wenn sich Licht durch Luft bewegt und auf ein Material mit einem anderen Brechungsindex trifft (ein Maß dafür, wie stark ein Material Licht verlangsamt und ablenkt), teilt es sich in zwei Komponenten auf: Ein Teil bricht (wird abgelenkt), wenn er in das neue Medium eintritt, und ein anderer wird von der Oberfläche reflektiert. Der Ablenkungsgrad hängt von der Differenz der Brechungsindizes zwischen den beiden Materialien ab, die nach dem Snelliusschen Brechungsgesetz erfolgen. Wenn sich beispielsweise Licht von einem Material mit niedrigem Brechungsindex (wie Luft) in ein Material mit hohem Brechungsindex (wie Glas) bewegt, wird es in Richtung Normale abgelenkt. Umgekehrt wird das Material durch das Verschieben in ein Material mit niedrigem Index von der Normalen weg abgelenkt.

Raytracing verfolgt im Wesentlichen die grundlegende Physik des Lichts durch verschiedene Materialien und maßstabsgetreue optische Komponenten (z. B. Linsen, Beugungsgitter usw.). Es handelt sich hier um einen simulationsbasierten Ansatz, der es ermöglicht, die Lichtwege in einem System zu visualisieren. Dabei wird untersucht, wie das Licht in der Nähe der Lichtquelle aussieht und wie sich diese Lichtstrahlen verändern, sobald sie durch verschiedene Materialien und Geometrien gehen. 

Insgesamt ist das Raytracing ein effizienter, präziser Simulationsansatz, der das Design hochwertiger optischer Komponenten ermöglicht.

Raytracing wird häufig zur Simulation optischer Systeme eingesetzt, insbesondere wenn die Abmessungen des Systems viel größer sind als die Wellenlänge des Lichts selbst. Dieser Größenunterschied ermöglicht es, Licht mithilfe von Raytracing als Strahlen zu simulieren und seine wellenartigen Eigenschaften zu ignorieren, was die Berechnungen vereinfacht und die Simulation schneller und recheneffizienter macht.

Bei Systemen, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind, ist Raytracing weniger effektiv, da Wellenphänomene wie Beugung und Interferenz dominieren. In solchen Fällen ist eine vollständige Analyse des elektromagnetischen Felds (z. B. FDTD (Finite-Difference Time Domain) oder RCWA (Rigorous Coupled-Wave Analysis)) besser geeignet, weil diese Effekte berücksichtigt werden. Solche Methoden sind zwar rechenintensiv, bieten aber die erforderliche Genauigkeit für Systeme mit Subwellenlängen, ohne dass für strahlenbasierte Näherungen eine extrem hohe Leistung der zentralen Recheneinheit (CPU) und der Grafikprozessoreinheit (GPU) erforderlich ist.

Raytracing kann in allen Anwendungen eingesetzt werden, in denen Licht verwendet wird: Astronomie, Elektromagnetik, Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Kommunikation, Medizintechnik und Unterhaltungselektronik. Der größte Anwendungsbereich für Raytracing ist jede reale Anwendung, bei der eine Linse zum Einsatz kommt. Dazu gehören neben konventionellen Kameras auch Handykameras, Head-up-Displays, Teleskope, AR/VR-Headsets, Scheinwerfer, Endoskope und Beleuchtungssysteme (medizinisch oder architektonisch).

Das Raytracing wird zur Bewertung der Leistung optischer Komponenten und zur Verbesserung ihres Designs verwendet, um strenge Spezifikationen zu erfüllen. Bewertet wird unter anderem, wie gut die Komponente das Licht bündelt, wie viel Energie die Lichtquelle in ein Bild überträgt (bei Displays), die Farbtiefe eines Bildes und die Kontrastqualität einer optischen Komponente.

Aus Sicht der Komponenten können die durch das Raytracing gewonnenen Informationen zur Optimierung des Designs verwendet werden. Durch das Raytracing können viele Informationen gewonnen werden, darunter:

• Linsendesign: Beurteilung, wie sich Änderungen der Linsenkrümmung oder -dicke auf die Lichtausbreitung und die optische Leistung auswirken
• Fertigungsvarianten: Bewertung, wie kleine Abweichungen bei der Linsenkrümmung oder andere Produktionstoleranzen die Systemleistung beeinflussen
• Platzmaximierung: Optimierung des Gehäuse- und Verpackungsraums in optischen Geräten
• Veränderte Wahrnehmungen: Erkennen, wie sich das Licht aus verschiedenen Winkeln auf die Wahrnehmung einer Person auswirkt, die ein optisches Gerät trägt oder in dieses hineinschaut (einschließlich der Frage, wie sich das Licht des Straßenverkehrs auf Fahrer*innen auswirkt, die auf ein Head-up-Display schauen)
• Entfernen von Verzerrungen: Identifizierung der Quelle fehlerhafter Lichtquellen und ihrer Auswirkungen
• Systemausrichtung: Feinabstimmung der Position und Ausrichtung mehrerer optischer Elemente zur Verbesserung der Systemleistung
• Bildqualität: Beurteilung der endgültigen Bildqualität in einer Displayanwendung

Es lassen sich alle unterschiedlichen potenziellen lichtverändernden Effekte und Interaktionen zwischen mehreren Linsen in komplexen optischen Systemen bewerten, um die endgültige Leistung eines optischen Systems zu ermitteln. Mithilfe von Raytracing kann dieses „Bild“ erstellt werden, das Ingenieur*innen vor dem physischen Design der Komponenten betrachten können, was Zeit und Geld spart.

In einer Raytracing-Simulation werden Lichtbahnen über einen Bereich von Geometrien berechnet. In optischen Systemen interagieren Millionen, wenn nicht Milliarden von Lichtstrahlen mit der Komponente, die simuliert wird. Jeder dieser Strahlen erfordert Hunderte bis Tausende von Vorgängen, um den Pfad durch eine Komponente genau zu berechnen. Dies erfordert ein Computersystem mit hoher Rechenleistung. 

Moderne CPUs verfügen über mehrere Kerne – bis zu 128 Kerne bei den leistungsstärksten CPUs –, die jeden Strahl unabhängig voneinander verarbeiten. GPUs (oft als Grafikkarten bezeichnet) haben jedoch eine andere Architektur mit kleineren, aber mehreren Recheneinheiten. Daher können die Raytracing-Funktionen durch eine bessere GPU optimiert werden.

Seit NVIDIA 2018 seine RTX-Technologie auf den Markt brachte, haben sich die Funktionen der GPUs erheblich verbessert. Diese GPUs enthalten Raytracing-Kerne (RT-Kerne), also Recheneinheiten, die ausschließlich für die Optimierung der Strahlenausbreitung zuständig sind. Durch dedizierte Recheneinheiten für Raytracing wird eine höhere Leistung erzielt. Ansys setzt schon seit Jahren die modernsten GPUs ein, um die bestmögliche Leistung zu erzielen – und verwendet NVIDIA RTX GPUs, um die bestmöglichen Raytracing-Simulationen zu liefern.

Ansys bietet verschiedene Softwarelösungen für die Durchführung von Raytracing an verschiedenen optischen Komponenten und auf verschiedenen Ebenen an. Zu den wichtigsten gehören die Software Ansys Zemax OpticStudio und die Anwendung Ansys Speos.

Mit OpticStudio lässt sich untersuchen, wie Lichtstrahlen mit einzelnen optischen Komponenten wie Linsen, Spiegeln und Prismen interagieren. Sobald die einzelnen optischen Komponenten abgebildet sind, werden sie mithilfe der Speos-Software in einer vollständigen Systemsimulation eingesetzt – wie etwa im Innenraum eines Fahrzeugs – um zu sehen, wie das Licht mit den verschiedenen Komponenten eines größeren Systems interagiert.

Mit der Speos-Software lässt sich untersuchen, wie ein Mensch die optischen Geräte unter verschiedenen Bedingungen sieht (z. B. bei Tag, bei Nacht, bei bewölktem Himmel oder bei Schnee). Außerdem liefert sie realistische Oberflächenrenderings für alle Materialien in diesem System. So können wir zum Beispiel antizipieren, wie die Reflexion eines Chrommaterials in der Windschutzscheibe die Aufmerksamkeit des Fahrers beeinflussen kann.

Entdecken Sie, wie Sie mit Raytracing das Verständnis optischer Systeme verbessern können. Wenden Sie sich noch heute an unser technisches Team, um Informationen zu den besten Simulationsansätzen für Ihr Design zu erhalten.

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