Che cos'è il ray tracing?

Il ray tracing è un metodo computazionale che rappresenta il comportamento della luce quando interagisce con un oggetto. Il ray tracing è utilizzato per simulare il comportamento della luce quando la lunghezza d'onda della luce è molto più piccola dell'oggetto con cui sta interagendo.

Il ray tracing tiene traccia del percorso di questi raggi di luce attraverso diversi sistemi ottici e fotonici e simula come rifrangono, riflettono o disperdono quando interagiscono fisicamente con strutture diverse. Esistono molti tipi di sistemi ottici attraverso i quali i raggi di luce possono passare e con cui possono interagire, molti dei quali sono oggetti di uso quotidiano come specchi, lenti o prismi, e tutte queste interazioni possono essere simulate.

Tuttavia, è necessario fare una distinzione importante. Esistono due aspetti del ray tracing che riguardano il comportamento della luce. L'area di utilizzo più comune del ray tracing è quella dei videogiochi. Il ray tracing consente agli sviluppatori di videogame di fornire una grafica realistica all'interno del gioco determinando in che modo la luce si riflette su oggetti inanimati, consentendo lo sviluppo in tempo reale di shader e illuminazione globale (algoritmi che aggiungono un'illuminazione realistica alle scene 3D). Consente inoltre agli sviluppatori di fornire immagini con rendering delle strutture di superficie.

 I videogiochi sono ray tracing in tempo reale che riguarda velocità, come il motore di gioco offre effetti visivi avanzati e qualità delle immagini elevata, anche se la potenza di calcolo aggiunta ridurrà la frequenza dei fotogrammi di un gioco. Il ray tracing nei videogiochi è incentrato su tecniche di grafica e rendering di computer (rasterizzazione, eccetera).

D'altra parte, in ottica e fotonica, il ray tracing è il modo in cui una fonte di luce interagisce con un oggetto fisico, quindi prende in considerazione le proprietà del materiale del sistema e le interazioni fisiche che hanno luogo. In ottica e fotonica, il ray tracing è incentrato su precisione e comportamento della luce anziché agire come strumento di realismo visivo. Questo articolo si concentra su quest'ultimo per la progettazione di componenti ottici e fotonici.

Il ray tracing è un metodo computazionale utilizzato per modellare i raggi di luce mentre viaggiano attraverso sistemi ottici. Viene utilizzato nella progettazione di lenti, sensori e altri componenti ottici per prevedere le loro prestazioni in base al modo in cui la luce da diversi angoli incidenti interagisce con una struttura. Quando la luce si propaga attraverso l'aria e incontra un altro materiale con un diverso indice di rifrazione (una proprietà che determina quanto la luce si flette in corrispondenza di un'interfaccia di due diversi mezzi che hanno una densità diversa), i raggi di luce vengono rifratti attraverso il nuovo mezzo mentre una porzione viene riflessa.

Quando la luce viaggia attraverso l'aria e incontra un materiale con un diverso indice di rifrazione (una misura di quanto un materiale rallenta e curva la luce), si divide in due componenti: una parte rifrange (flette) quando entra nel nuovo mezzo e un'altra riflette sulla superficie. Il grado di curvatura dipende dalla differenza degli indici di rifrazione dei due materiali, secondo la legge di Snell. Ad esempio, se la luce si sposta da un materiale a basso indice di rifrazione (come l'aria) a un materiale ad alto indice di rifrazione (come il vetro), si piega verso la normale. Al contrario, se passa a un materiale con indice inferiore, si allontana dalla normale.

Il ray tracing tiene essenzialmente traccia della fisica fondamentale della luce attraverso diversi materiali e componenti ottici a scala completa (ad esempio, lenti, reticoli di diffrazione, eccetera). Si tratta di un approccio basato sulla simulazione che consente di visualizzare i percorsi della luce in un sistema. Implica l'osservazione di come appare la luce vicino alla fonte di luce e lo studio di come cambiano i raggi di luce una volta che attraversano materiali e geometrie differenti. 

In generale, il ray tracing è un approccio di simulazione efficiente e accurata che consente la progettazione di componenti ottici di alta qualità.

Il ray tracing è largamente utilizzato per simulare sistemi ottici, in particolare quando le dimensioni del sistema sono molto più grandi della lunghezza d'onda della luce. Questa differenza di dimensioni consente al ray tracing di simulare la luce come raggi e ignorare le relative proprietà ondulatorie, il che semplifica i calcoli e rende la simulazione più veloce ed efficiente dal punto di vista computazionale.

Per sistemi più piccoli della lunghezza d'onda della luce, il ray tracing diventa meno efficace perché fenomeni d'onda, come diffrazione e interferenza, sono dominanti. In questi casi, un'analisi completa dei campi elettromagnetici, ad esempio FDTD (Finite-Difference Time-Domain), o un'analisi rigorosa delle onde accoppiate (RCWA, Rigorous Coupled-Wave Analysis) è più appropriata in quanto tiene conto di questi effetti. Sebbene tali metodi siano intensivi dal punto di vista computazionale, forniscono la precisione necessaria per sistemi inferiori alla lunghezza d'onda senza richiedere prestazioni estremamente elevate dell'unità di elaborazione centrale (CPU) e dell'unità di elaborazione grafica (GPU) per le approssimazioni basate su raggi.

Il ray tracing può coprire ogni applicazione in cui viene utilizzata la luce, dall'astronomia a dispositivi elettromagnetici, alla tecnologia aerospaziale, per la difesa, per le comunicazioni, per la medicina e all'elettronica di consumo. L'area di applicazione più grande per il ray tracing è qualsiasi applicazione reale che coinvolga una lente. Questa va da videocamere tradizionali a fotocamere dei cellulari, head-up display, telescopi, visori AR/VR, fari, endoscopi e sistemi di illuminazione (medici o architettonici).

Il ray tracing è utilizzata per valutare le prestazioni dei componenti ottici e migliorarne il design per soddisfare specifiche rigorose. Alcuni dei parametri valutati includono quanto bene il componente focalizza la luce, quanta energia la fonte di luce trasmette in un'immagine (per i display), la profondità del colore di un'immagine e la qualità del contrasto di un componente ottico.

Dal punto di vista dei componenti, le informazioni ottenute dal ray tracing possono essere utilizzate per ottimizzare la progettazione. Molte informazioni possono essere ottenute attraverso il ray tracing, tra cui:

• Progettazione delle lenti: Valutazione del modo in cui le variazioni di curvatura o spessore delle lenti influiscono sulla propagazione della luce e sulle prestazioni ottiche
• Variazioni di produzione: valutazione del modo in cui piccole deviazioni nella curvatura delle lenti o altre tolleranze di produzione influiscono sulle prestazioni del sistema
• Ottimizzazione dello spazio: ottimizzazione dell'alloggiamento e dello spazio di packaging nei dispositivi ottici
• Cambiamento delle percezioni: controllo del modo in cui la luce da diverse angolazioni influisce sulla percezione di un utente che indossa o guarda in un dispositivo ottico (compreso il modo in cui la luce proveniente dal traffico influirà sui conducenti che guardano gli head-up display)
• Rimozione delle distorsioni: identificazione della sorgente di eventuali fonti di luce errate e dell'effetto che hanno
• Allineamento del sistema: regolazione precisa della posizione e dell'orientamento di più elementi ottici per migliorare le prestazioni del sistema
• Qualità dell'immagine: valutazione della qualità finale dell'immagine in un'applicazione di display

È possibile valutare tutti i diversi potenziali effetti di alterazione della luce e le interazioni tra più lenti in sistemi ottici complessi per esaminare le prestazioni finali di un sistema ottico. Il ray tracing può essere utilizzato per creare questa "immagine" che gli ingegneri possono esaminare prima di progettare fisicamente i componenti, risparmiando tempo e denaro.

In una simulazione di ray tracing, vengono calcolate le traiettorie della luce in un'ampia gamma di geometrie. Nei sistemi ottici, milioni, se non miliardi, di raggi di luce interagiranno con il componente che viene simulato. Ciascuno di questi raggi richiede da centinaia a migliaia di operazioni per calcolare con precisione il percorso attraverso un componente, che richiede un sistema informatico con prestazioni computazionali elevate. 

Le CPU moderne hanno più core, fino a 128 core per le CPU di fascia più alta, che elaborano ciascun raggio in modo indipendente. Tuttavia, le GPU (spesso note come schede grafiche) hanno un'architettura diversa con unità computazionali più piccole ma più potenti all'interno. Pertanto, le capacità di ray tracing possono essere migliorate da una GPU migliore.

Le capacità delle GPU sono notevolmente migliorate da quando NVIDIA ha introdotto sul mercato la tecnologia RTX nel 2018. Queste GPU contengono core di ray tracing (core RT), che sono unità computazionali esclusivamente dedicate all'ottimizzazione della propagazione dei raggi. Le prestazioni più elevate si ottengono grazie a unità computazionali dedicate per il ray tracing. Ansys utilizza da anni GPU all'avanguardia per offrire le migliori prestazioni e utilizza GPU NVIDIA RTX per offrire le migliori simulazioni di ray tracing possibili.

Ansys dispone di diverse soluzioni software disponibili per eseguire il ray tracing su diversi componenti ottici e a diversi livelli. Le principali soluzioni software sono il software Ansys Zemax OpticStudio e l'applicazione Ansys Speos.

Il software OpticStudio viene utilizzato per osservare in che modo i raggi di luce interagiscono con i singoli componenti ottici, come lenti, specchi e prismi. Una volta che i singoli componenti ottici sono stati sottoposti a imaging, vengono inseriti in una simulazione di sistemi completa utilizzando il software Speos, ad esempio all'interno di un'auto, per vedere come la luce interagisce con tutti i diversi componenti di un sistema più grande.

Il software Speos può essere utilizzato per analizzare in che modo un uomo vede i dispositivi ottici in diverse condizioni (ad esempio, di giorno, di notte, in giorni nuvolosi o di neve), inoltre, fornisce rendering realistici delle superfici per tutti i materiali del sistema. Ad esempio, possiamo prevedere in che modo il riflesso di un materiale cromato su un parabrezza può influenzare l'attenzione del conducente.

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