什麼是光線追蹤？

光線追蹤是一種運算方法，表示光在與物體交互作用時的行為方式。當光的波長比與其交互作用的物體小很多時，光線追蹤用來模擬光的行為。

光線追蹤會透過不同的光學和光子系統追蹤這些光線的路徑，並模擬其在與不同結構物理交互作用時的折射、反射或散射情況。光線可以通過許多類型的光學系統並與之交互作用，其中許多為日常物品，例如鏡子、透鏡和棱鏡，且所有這些交互作用都可以模擬。

然而，必須做出重要區分。光線追蹤的兩個層面涉及光的行為方式。光線追蹤的最常參考區域是其在電玩遊戲中的使用。光線追蹤允許遊戲開發人員透過確定光如何從靜態物體反射，來在遊戲內提供逼真的視覺效果，進而即時開發著色器和全域照明 (為 3D 場景添加逼真照明的演算法)。它們也可讓開發人員提供表面紋理的渲染影像。

 電玩遊戲是即時光線追蹤，一切皆關乎速度、遊戲引擎提供先進視覺效果的方式以及高影像品質，但增加的運算能力會降低遊戲的幀率。遊戲中的光線追蹤以電腦圖形和渲染技術 (光柵化等) 為中心。

另一方面，在光學和光子領域中，光線追蹤是光源與實體物體交互作用的方式，因此它會考量系統的材料屬性和發生的物理交互作用。在光學和光子領域中，光線追蹤的重點在於準確度和光行為，而非作為視覺真實度工具。針對光學和光子元件的設計，本文著重於後者。

光線追蹤是一種運算方法，用來在光線穿過光學系統時為其建模。它用於設計鏡片、感應器和其他光學元件，以根據來自不同入射角度的光與結構的交互作用方式來預測其效能。當光透過空氣傳播，並遇到具有不同折射率 (確定光在兩個具有不同密度之不同介質的介面上彎曲程度的一種屬性) 的另一種材料時，光線會透過新介質折射，同時部分光線會反射。

當光穿過空氣並遇到具有不同折射率 (對材料減慢及彎曲光程度的一種測量) 的材料時，會分為兩個部分：一部分會在進入新介質時折射 (彎曲)，而另一部分會從表面反射。彎曲程度取決於遵循 Snell 法律的兩種材料之間折射率的差異。例如，如果光從低折射率材料 (如空氣) 移入高折射率材料 (如玻璃)，其會向法線方向彎曲。相反地，移入較低折射率的材料會使光向遠離法線的方向彎曲。

光線追蹤本質上會透過不同材料和全尺寸光學元件 (例如鏡片、繞射光柵等) 追蹤光的基礎物理。這是一種以模擬為基礎的方法，允許在系統中視覺化光的路徑。它涉及觀察光源附近的光的狀態，及檢查在這些光穿過不同材料和幾何後如何變化。 

整體而言，光線追蹤是一種高效、準確的模擬方法，能夠實現高品質光學元件的設計。

光線追蹤廣泛用於模擬光學系統，當系統的尺寸遠高於光的波長時尤其如此。此尺寸差異允許光線追蹤將光作為光線進行近似計算，並忽略其類波形屬性，進而簡化計算並使模擬更快，運算效率更高。

對於小於光波長的系統，光線追蹤會因繞射和干擾占主導地位等波動現象，而變得效率較低。在這種情況下，完整的電磁場分析 (例如有限差分時域 (FDTD) 或嚴謹耦合波分析 (RCWA)) 更合適，因其會考慮到這些影響。雖然此類方法需要密集運算，但其可為次波長系統提供必要的準確度，而不需要極高的中央處理器 (CPU) 和圖形處理器 (GPU) 效能，即可進行以光線為基礎的近似計算。

光線追蹤可涵蓋從天文學到電磁學、航太、國防、通訊，醫療技術與消費性電子，每種使用光的應用。光線追蹤的最大應用領域是任何涉及鏡頭的現實應用。此範圍從傳統相機到手機相機、抬頭顯示器、望遠鏡、AR/VR 頭戴式裝置、前照燈、內視鏡和照明系統 (醫療或建築)。

光線追蹤用來評估光學元件的效能，並改善其設計以符合嚴格規格。評估的一些參數包含元件聚焦於光的良好程度、光源傳輸到影像 (適用於顯示器) 中的能量、影像的色彩深度，以及光學元件的對比品質。

從元件的角度來看，可以使用從光線追蹤獲得的資訊來最佳化設計。可以從光線追蹤取得許多資訊，包括：

• 鏡頭設計：評估鏡頭曲率或厚度的變更如何影響光傳播和光學效能
• 製造變異：評估鏡頭曲率或其他生產公差中的微小偏差如何影響系統效能
• 最大化空間：最佳化光學裝置中的外殼與包裝空間
• 改變感知：瞭解來自不同角度的光如何影響佩戴或查看光學裝置之使用者的感知 (包含來自交通的光如何影響觀看抬頭顯示器的駕駛)
• 消除失真：識別任何錯誤光源的來源及其影響
• 系統對齊：微調多個光學元件的位置和方向，以提升系統效能
• 影像品質：評估顯示器應用中的最終影像品質

所有不同的潛在光改變效果和複雜光學系統中多個鏡頭之間的交互作用都可以評估，以瞭解光學系統的最終效能。光線追蹤可用來建立這個「圖像」，讓工程師在實際設計元件之前先瞭解清楚，進而節省時間和金錢。

在光線追蹤模擬中，會跨各種幾何計算光軌跡。在光學系統中，數百萬 (如果不是數十億) 的光線會與所模擬的元件交互作用。其中的每條光線都需要進行數百到數千次的運算，才能準確地計算其穿過元件的路徑，而這需要具有高運算效能的運算系統。 

現代的 CPU 擁有多個核心，最高階 CPU 最多 128 個核心，可獨立處理每條光線。然而，GPU (通常稱為顯示卡) 的架構不同，其內部擁有更小但數量更多的運算單元。因此，更好的 GPU 可改善光線追蹤的功能。

自 NVIDIA 於 2018 年將其 RTX 技術推入市場以來，GPU 的功能已得到顯著改善。這些 GPU 包含光線追蹤核心 (RT 核心)，這些是專門用於最佳化光線傳播的運算單元。透過將專用的運算單元用於光線追蹤，可以實現更高的效能。Ansys 多年來一直使用最新的尖端 GPU 來提供最佳效能，並使用 NVIDIA RTX GPU 提供可能的最佳光線追蹤模擬。

Ansys 提供不同的軟體解決方案，用於在不同光學元件和不同層級上執行光線追蹤。主要軟體解決方案為 Ansys Zemax OpticStudio 軟體與 Ansys Speos 應用程式。

OpticStudio 軟體用來查看光線如何與透鏡、鏡子和棱鏡等個別光學元件交互作用。在個別光學元件成像之後，會使用 Speos 軟體將其放入完整系統模擬中 (例如在汽車內飾中)，以瞭解光如何與較大型系統的所有不同元件進行交互作用。

Speos 軟體可用來調查人類在不同條件 (例如白天、夜間、陰天或下雪條件) 下如何看到光學裝置，且其也可為該系統中的所有材料提供真實表面渲染。例如，我們可以預測鍍鉻材料在擋風玻璃中的反射會如何影響駕駛的注意力。

探索光線追蹤可以如何加強您對光學系統的瞭解。請立即聯絡我們的技術團隊，以取得您設計的最佳模擬方法相關指引。

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