光线追踪教程（第 A 部分）：棱镜与茶壶游乐场

在本教程中，你将使用 OghmaNano 的 Optical Workbench 来体验一个色彩丰富的 光线追踪场景，其中包含棱镜、光阑、探测器以及（在后续部分中）一个 CAD 茶壶。 目标不是构建一个真实的相机，而是为你提供一个用于探索主要功能的游乐场： 启动仿真、旋转对象、查看光束分布，并检查探测器“看到”的内容。

我们从一个预构建的 棱镜演示 开始。该场景已包含：

• 光路中的两个红色棱镜。
• 一个绿色光线源，将光子发射到系统中。
• 一个光阑，会阻挡远离中心孔的光线。
• 一个紫色探测器，会收集穿过它的所有光线。

当你运行仿真时，你将看到反射、折射与色散的效果，并且能够检查探测器效率以及 探测器所观察到内容的渲染图像。

步骤 1：创建新的光线追踪仿真

从 Windows 开始菜单启动 OghmaNano。在启动窗口中选择 New simulation。这会打开器件库窗口，如 ?? 所示。 双击 Ray tracing 文件夹（已高亮）以打开光线追踪示例列表， 如 ?? 所示。

双击 Prism demo，然后选择一个你具有写入权限的文件夹并保存该仿真。 为获得最佳性能，请保存到本地磁盘（例如 C:\），而不是 网络或云盘。

步骤 2：探索默认场景

加载示例后，将打开主 Optical Workbench 窗口，如 ?? 所示。 场景包含你在本教程中将反复使用的主要光学组件：

• 绿色箭头（左侧）：一个光学光源，发射不同波长的光线。
• 两个红色棱镜：体光学元件，对光线进行折射与反射。
• 红色光阑板：带有中心开孔的板，允许部分光线通过，同时 阻挡其他光线。
• 紫色网格（上方）：一个探测器，用于收集光线，类似相机中的 CCD。

使用鼠标在场景中观察。鼠标左键旋转视图， 鼠标右键平移场景。你可以使用鼠标滚轮进行缩放。 在窗口左侧你会看到标有 XY、YZ 和 XZ 的按钮。它们将相机预设为沿各平面正对观察， 这在重新定位对象或检查对准时很有用。

步骤 3：运行仿真

点击 Run simulation 按钮（蓝色播放图标）或按 F9。 OghmaNano 将光线从光源追踪，经由棱镜与光阑到达探测器。 当运行结束后，场景会类似于 ??。

彩色条带显示不同波长的光线如何在棱镜中沿不同路径传播。 这是对以下现象的简单演示：

• 斯涅尔定律（界面处的折射），
• 反射（边界处的反射），以及
• 色散——不同波长具有不同折射率， 从而形成可见的彩虹。（背景可参见 Wikipedia 的光学色散条目。）

斯涅尔定律与反射/透射

斯涅尔定律给出了平面界面处入射角与折射角之间的关系：

\( n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2 \)

其中 \(n_1\) 与 \(n_2\) 分别是介质 1 与介质 2 的折射率， \(\theta_1\) 与 \(\theta_2\) 为相对于表面法线测量的角度。

在正入射时，界面处功率反射率 \(R\) 的一个简单表达式为

\( R = \left(\dfrac{n_1 - n_2}{n_1 + n_2}\right)^2 , \qquad T = 1 - R \)

其中 \(T\) 是透射的功率分数。OghmaNano 在追踪每条光线穿过棱镜与光阑时使用这些思想 （并结合完整的菲涅尔方程）。

步骤 4：检查探测器输出

要查看探测器记录的内容，请点击窗口顶部的 Output 选项卡。 你将看到光线追踪器写出的文件列表，类似于 ??。 目前最重要的文件是 detector0 文件夹，它存储了 紫色探测器的输出。

双击 detector0。然后双击 detector_efficiency0.csv，绘制探测器收集光的效率随波长变化的曲线，如 ?? 所示。

接下来，双击 RAY_image.csv 文件。OghmaNano 会从到达探测器的所有波长重建一幅彩色图像 （在此演示中通常约 20 个波长区间）。 通过光阑中心开孔的光线在探测器上形成明亮的彩色区域； 被光阑阻挡的光线则在光束分布中留下一个黑暗的孔洞。

如果你旋转 3D 场景并在视觉上跟踪光线，你可以追溯这个孔洞如何形成： 一些光线被光阑板反射，一些完全错过探测器，只有穿过开孔的光线 才会对 ?? 中的明亮区域做出贡献。