Qu'est-ce que le lancer de rayon ?

Le lancer de rayon (ray tracing) est une méthode de calcul qui représente le comportement de la lumière lorsqu'elle interagit avec un objet. Le lancer de rayon aide à simuler le comportement de la lumière lorsque sa longueur d'onde est beaucoup plus petite que l'objet avec lequel elle interagit.

Il suit le chemin de ces rayons lumineux à travers différents systèmes optiques et photoniques. Il simule également la façon dont ils sont réfractés, réfléchis ou diffusés lorsqu'ils interagissent physiquement avec différentes structures. Il existe de nombreux types de systèmes optiques que les rayons lumineux traversent et avec lesquels ils interagissent (pour beaucoup des objets du quotidien, tels que des miroirs, des lentilles ou des prismes). D'ailleurs, toutes ces interactions peuvent être simulées.

Toutefois, une distinction importante doit être faite. Il existe deux aspects du lancer de rayon qui dépendent du comportement de la lumière. Son domaine d'utilisation le plus couramment cité est celui des jeux vidéo. Le lancer de rayon permet aux développeurs de jeux de fournir des visuels réalistes en déterminant comment la lumière se reflète sur les objets inanimés, qui entrent dans le développement en temps réel de shaders et de l'illumination globale (à savoir des algorithmes qui ajoutent un éclairage réaliste aux scènes 3D). Les développeurs les exploitent également pour réaliser les rendus des textures de surface.

 Le jeu vidéo s'appuie sur un lancer de rayon en temps réel, qui s'articule autour de paramètres tels que la vitesse, l'aptitude du moteur de jeu à fournir des effets visuels avancés, et une haute qualité d'image ; et ce, bien que la puissance de calcul supplémentaire réduise la fréquence d'images du jeu. Le lancer de rayon dans les jeux est centré sur l'infographie et les techniques de rendu (rastérisation, etc.).

Dans d'autres domaines tels que l'optique et la photonique, le lancer de rayon est la façon dont une source de lumière interagit avec un objet physique. Dans ce cas, il prend en compte les propriétés matérielles du système et les interactions physiques qui se produisent. En optique et photonique, le lancer de rayon privilégiera la précision et le comportement de la lumière, plutôt que d'agir comme un outil de réalisme visuel. Cet article porte sur son application à la conception de composants optiques et photoniques.

Le lancer de rayon est une méthode de calcul capable de modéliser les rayons lumineux lorsqu'ils traversent des systèmes optiques. Il est utilisé dans la conception de lentilles, de capteurs et d'autres composants optiques pour prédire leurs performances en fonction de la façon dont la lumière provenant de différents angles d'incidence interagit avec une structure. Lorsque la lumière se propage dans l'air et rencontre un autre matériau avec un indice de réfraction différent (cette propriété détermine la quantité de lumière courbée à l'interface de deux milieux différents, ayant une densité différente), une partie des rayons lumineux est réfractée à travers le nouveau milieu, tandis qu'une autre est réfléchie.

Lorsque la lumière traverse l'air et rencontre un matériau avec un indice de réfraction différent (une mesure du degré auquel un matériau ralentit et courbe la lumière), elle se divise en deux composantes : une partie se réfracte (se courbe) lorsqu'elle pénètre dans le nouveau milieu, et une autre se réfléchit sur la surface. Le degré de courbure dépend de la différence d'indices de réfraction entre les deux matériaux, selon la loi de Snell. Par exemple, si la lumière passe d'un matériau à faible indice de réfraction (comme l'air) à un matériau à indice de réfraction élevé (comme le verre), elle se courbe vers la normale. Inversement, le déplacement vers un matériau à indice inférieur la déviera de la normale.

Le lancer de rayon suit essentiellement la physique fondamentale de la lumière à travers différents matériaux et composants optiques à pleine échelle (par exemple, les lentilles, les réseaux de diffraction, etc.). Cette approche fondée sur la simulation permet de visualiser les trajectoires de la lumière dans un système. Il s'agit de regarder à quoi ressemble la lumière à proximité de sa source et d'examiner comment ces rayons changent lorsqu'ils traversent différents matériaux et géométries. 

En résumé, le lancer de rayon est une approche de simulation efficace et précise qui permet la conception de composants optiques de haute qualité.

Le lancer de rayon est largement utilisé pour simuler des systèmes optiques. C'est le cas, en particulier, lorsque les dimensions du système sont beaucoup plus grandes que la longueur d'onde de la lumière. Cette différence de taille permet au lancer de rayon d'approximer la lumière sous forme de rayons et d'ignorer ses propriétés de type onde. Les calculs sont alors simplifiés et la simulation plus rapide et plus efficace sur le plan numérique.

Pour les systèmes plus petits que la longueur d'onde de la lumière, le lancer de rayon s'avère moins efficace parce que les phénomènes d'ondes comme la diffraction et l'interférence dominent. Dans de tels cas, une analyse complète du champ électromagnétique (par exemple, une analyse des différences finies dans le domaine temporel (FDTD) ou une analyse rigoureuse des ondes couplées (RCWA)) est plus appropriée, car elle tient compte de ces effets. Bien que ces procédés soient gourmands en calcul, ils fournissent la précision nécessaire pour des systèmes en sub-longueur d'onde sans nécessiter de performances extrêmement élevées de l'unité centrale de traitement (CPU) et de l'unité de traitement graphique (GPU) pour des approximations basées sur les rayons.

Le lancer de rayon peut couvrir toutes les applications dans lesquelles la lumière est utilisée, de l'astronomie à l'électromagnétisme, en passant par l'aérospatial, la défense et les communications, ou encore la technologie médicale et l'électronique grand public. On le retrouvera essentiellement dans toutes les applications réelles comprenant une lentille. Cela va des caméras conventionnelles aux caméras de téléphone portable, en passant par les écrans tête haute, les télescopes, les casques AR/VR, les phares, les endoscopes et les systèmes d'éclairage (médicaux ou architecturaux).

Le lancer de rayon sert à évaluer les performances des composants optiques et à améliorer leur conception afin de répondre à des spécifications strictes. Parmi les paramètres évalués, on citera la manière dont le composant focalise la lumière, la quantité d'énergie transmise par la source lumineuse dans une image (pour les écrans), ou encore la profondeur de couleur d'une image et la qualité du contraste d'un composant optique.

En ce qui concerne les composants, de nombreuses informations peuvent être obtenues grâce au lancer de rayon et utilisées pour optimiser la conception, notamment :

• Conception de lentille : l'évaluation de la manière dont les changements de courbure ou d'épaisseur de la lentille affectent la propagation de la lumière et les performances optiques
• Variantes de fabrication : l'évaluation de l'impact des faibles écarts dans la courbure de la lentille ou d'autres tolérances de production sur les performances du système
• Optimisation d'espace : l'optimisation de l'espace du boîtier et du conditionnement dans les dispositifs optiques
• Changement des perceptions : voir comment la lumière sous différents angles affectera la perception d'un utilisateur portant ou regardant dans un appareil optique (par exemple, la manière dont la lumière de la circulation affectera les conducteurs regardant un affichage tête haute)
• Suppression des distorsions : l'identification de l'origine de toute source lumineuse erronée et de son effet
• Alignement du système : le réglage fin de la position et de l'orientation de plusieurs éléments optiques pour améliorer les performances du système
• Qualité d'image : lévaluation de la qualité d'image finale dans une application d'affichage

Tous les différents effets potentiels modifiant la lumière et les interactions entre plusieurs lentilles dans des systèmes optiques complexes peuvent être évalués pour examiner la performance finale de ces systèmes. Le lancer de rayon permettra de construire une sorte d'image que les ingénieurs pourront examiner avant de concevoir physiquement les composants, économisant ainsi du temps et de l'argent.

Dans une simulation par lancer de rayon, les trajectoires de la lumière sont calculées sur diverses géométries. Dans les systèmes optiques, des millions, voire des milliards, de rayons lumineux vont interagir avec le composant simulé. Chacun de ces rayons nécessite plusieurs centaines à plusieurs milliers d'opérations pour calculer avec précision sa trajectoire à travers un composant, exigeant un système informatique aux performances de calcul élevées. 

Les processeurs modernes sont dotés de plusieurs cœurs (jusqu'à 128 cœurs pour les processeurs haut de gamme) qui traitent chaque rayon indépendamment. Cependant, les GPU (souvent appelées cartes graphiques) ont une architecture différente, renfermant des unités de calcul plus petites, mais plus nombreuses. Par conséquent, les capacités du lancer de rayon peuvent être améliorées par une GPU plus puissante.

Les capacités des GPU se sont considérablement améliorées depuis que NVIDIA a commercialisé sa technologie RTX en 2018. Ces GPU contiennent des cœurs de lancer de rayon (RT cores), qui sont des unités de calcul exclusivement dédiées à l'optimisation de la propagation des rayons, permettant ainsi d'accéder à des performances supérieures. Depuis de nombreuses années, Ansys utilise les GPU les plus pointues pour offrir des performances optimales, et a adopté les GPU NVIDIA RTX pour fournir les meilleures simulations par lancer de rayon possibles.

Ansys propose une gamme complète de solutions pour effectuer des lancers de rayon sur différents composants optiques et à différents niveaux, dont les principales sont le logiciel Ansys Zemax OpticStudio et l'application Ansys Speos.

Le logiciel OpticStudio sert à examiner comment les rayons lumineux interagissent avec les composants optiques individuels, tels que les lentilles, les miroirs et les prismes. Une fois que ces composants ont été imagés, ils sont insérés à l'aide de Speos dans une simulation complète du système (comme un habitacle de voiture) pour voir comment la lumière interagit avec tous les différents composants d'un système plus grand.

Speos peut permettre d'étudier comment un humain verra les dispositifs optiques dans différentes conditions (par exemple, le jour, la nuit, les jours nuageux ou les conditions de neige), et il fournit également des rendus de surface réalistes pour tous les matériaux de ce système. Par exemple, il est capable de prévoir comment le reflet d'un matériau chromé dans un pare-brise peut affecter l'attention du conducteur.

Découvrez comment le lancer de rayon peut améliorer votre compréhension des systèmes optiques. Contactez notre équipe technique pour obtenir des conseils sur les meilleures approches de simulation à adopter pour votre conception.

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