레이 트레이스(물리학)

Ray tracing (physics)
레이 캐스팅 또는 레이 트레이스(그래픽)와 혼동하지 마십시오.

물리학에서 광선 추적은 다양한 전파 속도, 흡수 특성 및 반사 표면을 가진 시스템을 통해 파동 또는 입자의 경로를 계산하는 방법입니다.이러한 상황에서 웨이브프론은 구부러지거나 방향을 바꾸거나 표면에 반사되어 분석이 복잡해질 수 있습니다.레이트레이스는 레이라고 불리는 이상적인 좁은 빔을 매체를 통해 이산량만큼 반복적으로 진행시킴으로써 문제를 해결합니다.간단한 문제는 간단한 수학을 사용하여 몇 개의 광선을 전파함으로써 분석할 수 있다.컴퓨터를 사용하여 많은 광선을 전파함으로써 보다 상세한 분석을 수행할 수 있습니다.

전자파 방사 문제에 적용할 때, 광선 추적은 종종 빛의 파장보다 훨씬 큰 치수를 가진 물체를 통해 그리고 그 주변에 광파가 전파되는 한 유효한 맥스웰 방정식에 대한 근사 해법에 의존합니다.광선 이론은 간섭과 회절과 같은 현상을 설명하지 않으며, 이러한 현상은 파동 이론을 필요로 합니다(파동의 위상을 포함한다.

기술.

굴절률이 변화하는 매체를 통과하는 광선의 광선 추적.광선을 조금씩 전진시킨 후 방향을 다시 계산한다.

광선 추적은 입자 또는 파형이 다수의 매우 좁은 광선(광선)으로 모델링될 수 있으며, 그러한 광선이 국소적으로 직선인 매우 작은 거리가 존재한다고 가정함으로써 작동합니다.광선 추적기는 광선을 이 거리 위로 이동한 다음 매질의 국소 도함수를 사용하여 광선의 새로운 방향을 계산합니다.이 위치에서 새로운 광선이 전송되고 완전한 경로가 생성될 때까지 프로세스가 반복됩니다.시뮬레이션에 고체 물체가 포함되어 있는 경우, 각 단계에서 광선과 광선의 교차를 테스트하여 충돌이 발견될 경우 광선의 방향을 조정할 수 있습니다.강도, 파장 또는 편광 등 시뮬레이션이 진행됨에 따라 광선의 다른 특성도 변경될 수 있습니다.이 과정은 시스템의 동작을 이해하는 데 필요한 만큼의 광선으로 반복됩니다.

사용하다

천문학

상세 정보:기단(천문)

레이 트레이스는 하늘의 사실적인 이미지를 시뮬레이션하기 위해 천문학에서 점점 더 많이 사용되고 있다.기존 시뮬레이션과 달리 광선 추적은 예상되거나 계산된 망원경의 PSF를 사용하지 않고 대신 상층 대기로 진입한 각 광자의 경로를 [1]추적한다.주로 대기, 광학 및 검출기에서 발생하는 대부분의 분산과 왜곡이 고려된다.이 이미지 시뮬레이션 방법은 본질적으로 느리지만 CPU와 GPU의 기능이 향상되어 이 문제가 다소 완화되었습니다.그것은 또한 망원경을 디자인하는 데에도 사용될 수 있다.주목할 만한 예로는 PhoSim과[2] 함께 이러한 [3]종류의 광선 추적이 시뮬레이션된 이미지를 만들기 위해 처음 사용된 Large Synoptic Survey Telescope가 있다.

무선 신호

「무선 전파」도 참조해 주세요.
왼쪽 송신기에서 오른쪽 수신기로 추적되는 무선 신호(3D 그리드 베이스의 삼각망).

광선 추적의 한 가지 특정한 형태는 무선 신호 광선 추적으로, 광선으로 모델링된 무선 신호가 굴절 및/또는 지구로 반사되는 전리층을 통해 추적됩니다.이러한 형태의 광선 추적에는 전리층과 같은 분산 및 이방성 매체를 통한 전자파의 전파를 설명하는 미분 방정식의 통합이 포함됩니다.오른쪽에 물리 기반의 무선 신호 레이트레이스의 예를 나타냅니다.무선 통신기는 전리층을 통해 전파되는 무선 신호의 정확한 동작을 결정하기 위해 광선 추적을 사용합니다.

오른쪽 그림은 상황의 복잡성을 보여줍니다.물체 사이의 매개체가 일반적으로 일정한 굴절률을 갖는 광선 추적과 달리 신호선 추적은 공간적으로 변화하는 굴절률의 복잡성을 다루어야 하며, 전리층 전자 밀도의 변화가 굴절률에 영향을 미쳐 광선 궤적에 영향을 미칩니다.두 세트의 신호는 두 개의 서로 다른 고도 각도로 방송됩니다.주 신호가 전리층에 침투하면 자기장이 신호를 두 개의 성분 파동으로 분할하고, 이 성분 파동은 전리층을 통해 개별적으로 광선이 추적됩니다.보통파(빨간색) 성분은 비상파(녹색) 성분과는 완전히 독립된 경로를 따릅니다.

다음 항목도 참조하십시오.대기 중 방사선량 감쇠 계산

해양 음향학

다음 항목도 참조하십시오.수중 음향

바다의 음속은 밀도와 온도의 변화로 깊이에 따라 달라지며, 수심 800-1000m 부근의 국지적 최소치에 도달한다.SOFAR 채널이라고 하는 이 국소 최소값은 소리가 도파관 쪽으로 구부러지는 경향이 있기 때문에 도파관 역할을 합니다.광선 추적은 SOFAR 채널의 효과뿐만 아니라 바다 표면과 바닥의 반사 및 굴절 효과와 함께 바다를 통해 매우 먼 거리까지 소리의 경로를 계산하는 데 사용될 수 있다.이를 통해 신호 강도가 높고 낮은 위치를 계산할 수 있으며, 이는 해양 음향, 수중 음향 통신 및 음향 온도 측정 분야에서 유용합니다.

바다의 다양한 밀도를 통해 전파되는 음향 파장의 광선 추적입니다.경로는 SOFAR 채널에서 진동하는 것을 볼 수 있습니다.

광학 설계

다음 항목도 참조하십시오.광학 렌즈 설계

광선 추적은 카메라, 현미경, 망원경 및 쌍안경과 같은 렌즈와 광학 시스템의 설계에 사용될 수 있으며, 이 분야에서 그것의 적용은 1900년대까지 거슬러 올라간다.기하학적 광선 트레이스는 렌즈 시스템 또는 광학 기기를 통한 광선의 전파를 기술하기 위해 사용되며, 시스템의 이미지 형성 특성을 모델링할 수 있습니다.다음과 같은 효과를 레이 트레이서에 간단한 방법으로 통합할 수 있습니다.

렌즈 설계의 적용에 있어서, 두 가지 특별한 파장 간섭 사례가 고려되어야 한다.초점에서는 점광원으로부터의 광선이 다시 만나 건설적 또는 파괴적으로 서로 간섭할 수 있다.이 지점 근처의 매우 작은 영역 내에서 입사광은 광선으로부터 방향을 이어받는 평면파에 의해 근사될 수 있다.광원으로부터의 광경로 길이는 위상을 계산하는 데 사용됩니다.광원 위치의 초점 영역에 있는 광선 위치의 도함수는 광선의 폭과 평면파의 진폭을 구하는 데 사용됩니다.그 결과, 포인트 확산 함수가 됩니다.이 함수의 푸리에 변환은 광전송 함수입니다.이로부터 Strehl 비율도 계산할 수 있습니다.

고려해야 할 다른 특별한 경우는 평면으로 근사된 파면 간섭이다.그러나 광선이 서로 가까이 오거나 교차할 경우 파면 근사치가 무너집니다.구면파의 간섭은 보통 광선 추적과 결합되지 않기 때문에 구멍에서의 회절을 계산할 수 없습니다.그러나 이러한 제한은 필드 트레이싱이라는 고급 모델링 기술을 통해 해결할 수 있습니다.필드 트레이싱(Field Tracing)은 기하학적 광학과 물리적 광학을 결합하여 설계 시 간섭과 회절의 한계를 극복하는 모델링 기법입니다.

광선 추적 기술은 수차를 최소화하여 기기 설계를 최적화하기 위해 사용되며, 사진 촬영, 마이크로파 또는 심지어 라디오 시스템 설계와 같은 긴 파장 응용 프로그램 및 자외선 및 X선 광학과 같은 짧은 파장에도 사용됩니다.

컴퓨터가 등장하기 전에, 광선 추적 계산은 삼각법과 로그 표를 사용하여 손으로 수행되었다.많은 고전 사진 렌즈의 광학 공식은 큰 계산의 작은 부분을 처리하는 한 방에 가득 찬 사람들에 의해 최적화되었습니다.현재는 광학 디자인 소프트웨어로 동작하고 있습니다.레이저에 사용되는 광공진기 설계에는 광전송 매트릭스 분석으로 알려진 광선 트레이스의 간단한 버전이 자주 사용됩니다.가장 자주 사용되는 알고리즘의 기본 원리는 스펜서와 머티의 기본 논문인 "일반 광선 추적 절차"[4]에서 찾을 수 있습니다.

지진학

지구 내부를 통과하는 지진파의 이 광선 추적은 경로가 매우 복잡할 수 있다는 것을 보여주며, 우리 행성의 구조에 대한 정보를 알려준다.

지진학에서 지구물리학자들은 지진 위치와 지구 [5][6]내부를 단층적으로 재구성하기 위해 광선 추적을 사용한다.지진파 속도는 지각 내부와 아래에서 변화하며, 이러한 파동이 구부러지고 반사를 일으킨다.광선 추적은 지진과 같은 지구물리 모델을 통해 경로를 추적하거나 간섭 [7]물질의 특성을 추론하는 데 사용할 수 있다.특히, 지진 그림자 구역(오른쪽 그림)의 발견은 과학자들이 지구의 녹은 핵의 존재를 추론할 수 있게 해주었다.

일반상대성이론

중력렌즈가 발생할 수 있는 일반상대성이론에서 관찰자에게서 받는 빛의 측지선학은 관심 영역에 도달할 때까지 시간적으로 역방향으로 통합된다.이 기술에 의한 영상 합성은 컴퓨터 [8][9]그래픽스에서 일반적인 광선 트레이스의 확장으로 볼 수 있습니다.그러한 합성의 예는 2014년 영화 인터스텔라에서 [10]찾을 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Peterson, J. R.; Jernigan, J. G.; Kahn, S. M.; Rasmussen, A. P.; Peng, E.; Ahmad, Z.; Bankert, J.; Chang, C.; Claver, C.; Gilmore, D. K.; Grace, E.; Hannel, M.; Hodge, M.; Lorenz, S.; Lupu, A.; Meert, A.; Nagarajan, S.; Todd, N.; Winans, A.; Young, M. (2015). "Simulation of Astronomical Images from Optical Survey Telescopes Using a Comprehensive Photon Monte Carlo Approach". The Astrophysical Journal Supplement Series. 218 (1): 14. arXiv:1504.06570. Bibcode:2015ApJS..218...14P. doi:10.1088/0067-0049/218/1/14.
  2. ^ "Phosim / Phosim_release / Wiki / Home — Bitbucket".
  3. ^ "Photon Simulator (PhoSim)". 19 September 2015.
  4. ^ Spencer, G. H; Murty, M. V. R. K (1962). "General Ray-Tracing Procedure†". Journal of the Optical Society of America. 52 (6): 672. doi:10.1364/JOSA.52.000672.
  5. ^ Rawlinson, N; Hauser, J; Sambridge, M (2008). "Seismic ray tracing and wavefront tracking in laterally heterogeneous media". Advances in Geophysics Volume 49. Advances in Geophysics. Vol. 49. pp. 203–273. doi:10.1016/S0065-2687(07)49003-3. ISBN 9780123742315.
  6. ^ Cerveny, V. (2001). Seismic Ray Theory. ISBN 978-0-521-36671-7.
  7. ^ 퍼듀 대학교
  8. ^ Kuchelmeister, Daniel; Müller, Thomas; Ament, Marco; Wunner, Günter; Weiskopf, Daniel (2012). "GPU-based four-dimensional general-relativistic ray tracing". Computer Physics Communications. 183 (10): 2282–2290. Bibcode:2012CoPhC.183.2282K. doi:10.1016/j.cpc.2012.04.030.
  9. ^ Müller, Thomas (2014). "GeoViS—Relativistic ray tracing in four-dimensional spacetimes". Computer Physics Communications. 185 (8): 2301–2308. Bibcode:2014CoPhC.185.2301M. doi:10.1016/j.cpc.2014.04.013.
  10. ^ Rogers, Adam (October 23, 2014). "Wrinkles In Spacetime: The Warped Astrophysics of Interstellar". Wired. Archived from the original on October 25, 2014. Retrieved October 25, 2014.