Benutzeranleitung für den Einsatz der Raytracing Software ASAP. Autor: Sebastian Frisch Stand:

Transkript

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2 2 Benutzeranleitung für den Einsatz der Raytracing Software ASAP Autor: Sebastian Frisch Stand:

3 Erste Schritte 3 Erste Schritte Zunächst wird ASAP 2015 gestartet. Nach dem Start ist folgende Maske zu sehen: Vor Beginn der Arbeit, muss ein neues Projekt oder ein neues Arbeitsverzeichnis angelegt werden. Erste Schritte

4 Erste Schritte 4 Ein neues Projekt legt man am schnellsten mit dem entsprechenden Reiter aus der Toolbar an. Anschließend öffnet ASAP ein Fenster zur Auswahl eines Speicherortes. Es empfiehlt sich für jedes neue Projekt auch ein neues Verzeichnis anzulegen, damit alle verwendeten Dateien an einem gemeinsamen Speicherort abgelegt werden können. Zum Schließen, Speichern oder Laden von Projekten kann das entsprechende Untermenü im Reiter File verwendet werden. In diesem Menü können auch mit Add Files neue Dateien in ein Projekt eingefügt werden. Grundeinstellungen

5 Eingabemethoden 5 Eingabemethoden Zur Erstellung von Modellen stehen in ASAP verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung: Der Builder: Der Builder bietet eine tabellarische Eingabemaske, in der Objekte und Befehle definiert werden können. Die notwendigen Parameter werden angezeigt, so dass die Eingabe vereinfacht wird. Die Skriptsprache: In einem Skript können Objekte und Befehle ähnlich wie im Builder eingetragen werden. Das Skript bietet dabei mehr Möglichkeiten, allerdings fehlt dafür die Anzeige der notwendigen Parameter. Für komplexe Modelle steht die Skriptsprache zur Verfügung. Datei Import: Bei komplexen Geometrien kann ein Import einer Datei aus einem CAD-System sinnvoll sein. ASAP bietet hierfür eine Schnittstelle für verschiedene Dateiformate. Ein Import kann allein keine sinnvolle Simulation ergeben, da ASAP zusätzliche Informationen über die Materialeigenschaften und Lichtquellen benötigt. Diese können mittels der Skriptsprache ergänzt werden. Übersicht über die Eingabemethoden

6 Eingabemethoden 6 Der Builder Der Builder kann über das gezeigte Symbol gestartet werden. Daraufhin öffnet sich im Arbeitsbereich von ASAP ein neues Fenster mit folgendem Aussehen. Der Builder

7 Eingabemethoden 7 Im Builder können auf zwei verschiedene Arten Eingaben vorgenommen werden. Zum einen können Befehle direkt in leere Felder der ersten Spalte eingetragen werden. ASAP bietet hier eine Autovervollständigung an. Zum anderen kann mit einem Doppelklick in ein leeres Feld der ersten Spalte ein Kontextmenü geöffnet werden. Dort sind alle grundlegenden Befehle vorhanden. Der Builder

8 Grundlegende Befehle 8 Grundlegende Befehle Zu Beginn einer jeden Modellierung müssen einige grundlegende Festlegungen im Programm getroffen werden. Als erstes muss ASAP mit dem Befehl System mitgeteilt werden, wie es mit den folgenden Eingaben verfahren soll. Als einziger Parameter wird dem Befehl das Schlüsselwort New mitgeteilt. Das bedeutet, dass ASAP keine Daten aus vorhergehenden Simulationen verwenden darf. Die möglichen Parameter To und From sollten nicht verwendet werden, da sie zum Speichern und Laden dienen, aber ein Dateiformat verwenden das nicht für die dauerhafte Speicherung von Daten geeignet ist. Befehl System

9 Grundlegende Befehle 9 Als nächstes wird dem Programm mitgeteilt, welche Längeneinheit für die Beschreibung der Geometrie verwendet wird. Alle Angaben müssen in der gewählten Längeneinheit erfolgen, da ASAP keine Unterscheidung der Einheit erlaubt. Zusätzlich wird auch eine Einheit für die StrahlenLeistung eingetragen. Das Mischen verschiedener Einheiten führt unweigerlich zu Inkonsistenzen in der Modellierung. Einheitenkonvention: Millimeter und Milliwatt. Befehl Units

10 Grundlegende Befehle 10 Als weitere Festlegung werden die Wellenlängen definiert, die bei der Simulation in den verschiedenen Medien und Oberflächen verwendet werden. Es können mit dem Wavelength Befehl bis zu fünf verschiedene Wellenlängen definiert werden. Mit dem Parameter Units wird dem Programm die Einheit mitgeteilt, in der die Wellenlängen eingetragen werden können. Sofern keine besondere Anwendung die Definition verschiedener Wellenlängen erfordert, wird nur eine Wellenlänge eingetragen. Der Default- Wert ist 550 Nanometer. Befehl Wavelength

11 Grundlegende Befehle 11 Da in ASAP jede Oberfläche mindestens mit einer Geometrie und einer Reflexionseigenschaft bzw. Transmissionseigenschaft beschrieben werden muss, bietet es sich an die Eigenschaften übersichtlich an einer Stelle des Dokuments zusammenzufassen. Zu diesem Zweck wird der Befehl Coatings verwendet. Einer Oberfläche kann eine Eigenschaft zugewiesen werden. Die Zuweisung erfolgt über den Befehl Coating. Eine Oberfläche die kein Licht transmittiert oder reflektiert ist folglich vollständig adsorbierend. Die Parameter Reflect und Transmit können beliebige Werte annehmen, zwischen 0 und 1, wobei die Summe nicht größer als 1 sein darf. Mit Name und Coating Number können den einzelnen Coating - Befehlen Bezeichner zugewiesen werden, so dass sie später mit ihrem Bezeichner aufgerufen werden können. Es empfiehlt sich entsprechende Namen, wie im gezeigten Beispiel zu verwenden. Befehl Coating

12 Grundlegende Befehle 12 Zusätzlich wird für die Beschreibung von Linsen und Prismen eine Beschreibung der Materialeigenschaften benötigt. Das Schlüsselwort Media erlaubt die Definition eines Mediums mit einem oder mehreren definierten Brechungsindizes. Auch bei dieser Definition wird ein Bezeichner mit angegeben um später leichter mit den Materialeigenschaften arbeiten zu können. Das Beispiel zeigt eine typische Definition für eine allgemeine Beschreibung einer Glassorte. Wenn der Brechungsindex nicht bekannt ist, kann in der Quick-Start-Leiste unter Glass Catalog eine Liste häufig verwendeter Materialien aufgerufen werden. Wird eine Glassorte gewählt, werden zusätzliche Informationen zum Brechungsverhalten in Abhängigkeit von der Wellenlänge angezeigt. Befehl Media

13 Flächen und Körper in ASAP 13 Flächen und Körper in ASAP Zur Modellierung der Geometrie bietet ASAP verschiedene Beschreibungsmöglichkeiten an. Im Kontextmenü des Builders sind unter dem Reiter Geometry eine Liste vieler Körper und Oberflächen zu finden. Innerhalb des Builders, werden zu jedem Objekt in den Reitern der Tabelle bereits alle möglichen Parameter angezeigt. Zusätzlich füllt er alle notwendigen Parameter mit Startwerten aus. Somit wird der Aufwand der Eingabe reduziert. Flächen und Körper in ASAP

14 Flächen und Körper in ASAP 14 Im Unterpunkt Surfaces findet man eine Liste von reinen Flächenelementen. Diese Elemente können eine dreidimensionale Kontur beinhalten, allerdings besitzen sie keine Dicke. Spherical beschreibt zum Beispiel eine halbe Kugelschale, wobei die Schalendicke gleich Null ist. Das Element Plane bietet eine gute Möglichkeit rechteckige Flächen zu zeichnen. Plane wird bei der Simulation von Aufgabenstellungen aus der geometrischen Optik häufig als Schirm oder als Gegenstand verwendet. Flächen und Körper in ASAP

15 Flächen und Körper in ASAP 15 Nach der Eingabe des Befehls Plane, werden automatisch folgende Parameter angezeigt: Unter Name kann ein Bezeichner, hier Schirm zugewiesen werden, dadurch wird die Identifizierung in den Simulationsergebnissen erleichtert. Unter Option kann die Art der Ausrichtung gewählt werden. Die Orientierung der Raumachsen wird mit dem Parameter Axis angegeben. Mit dem Parameter Location kann das Objekt auf der gewählten Hauptachse verschoben werden. Die Parameter Semiwidth X und Semiwidth Y geben die Ausdehnung der Fläche vom Mittelpunkt aus an. Die Werte 5 und 10 erzeugen folglich ein Rechteck mit den Kantenlängen 10mm und 20mm. Mit den Parametern Offset X und Offset Y kann die Geometrie senkrecht zur gewählten Hauptachse verschoben werden. Flächen und Körper in ASAP

16 Flächen und Körper in ASAP 16 Mit dem Parameter Obs Ratio kann ein Ausschnitt ausgehend von der Mitte der Fläche definiert werden. Der Wert des Parameters gibt das Verhältnis des Ausschnitts zur Fläche an. Ein Wert von 0 erzeugt eine geschlossene Fläche, während ein Wert nahe der 1 einen sehr schmalen Rand erzeugt. Die Abbildung zeigt ein weiteres Beispiel für eine mögliche Geometrie. Flächen und Körper in ASAP

17 Flächen und Körper in ASAP 17 Den gezeichneten Flächen müssen optische Eigenschaften zugewiesen werden. Ruft man den Befehl Interface, so kann die unter Coating definierte optische Eigenschaft, der Fläche zugewiesen werden. Der Parameter Cmd wird von ASAP selbst befüllt. Die Parameter Media 1 und Media 2 geben das Material auf der Vorderund Rückseite der Oberfläche an. Sie können in der Regel mit dem Standardwert Air belegt werden. Es ist wichtig zu beachten, dass sich der Interface -Befehl sich auf das gerade angegebene Objekt bezieht. Der Befehl muss folglich immer direkt hinter dem Objekt notiert werden, auf das er sich bezieht. Flächen und Körper in ASAP

18 Flächen und Körper in ASAP 18 Eine weitere Möglichkeit Flächen zu definieren, bietet der Points -Befehl. Er kann verwendet werden, um zweidimensionale oder dreidimensionale Körper zu erstellen. Aufgrund der etwas komplexeren Eingabe, ist er für einfache Flächen wie Rechtecke oder Kreise eher ungeeignet. Im Gegensatz zum Plane -Befehl sind für Points mindestens drei Schritte notwendig: - Die Definition einer Geometrie mit dem Points - Befehl. - Die Umwandlung der entstandenen Entity in ein Objekt. - Die Definition von Oberflächeneigenschaften. Es wäre zwar ebenfalls möglich, mit dem Points -Befehl direkt ein Objekt statt einer Entity zu erzeugen, aber in diesem Fall, wird der definierte Name des Objekts nicht von allen ASAP- Modulen korrekt umgesetzt. Flächen und Körper in ASAP

19 Flächen und Körper in ASAP 19 Sobald der Points -Befehl eingegeben wurde, kann zunächst einmal mit dem entsprechenden Symbol eine Entity erzeugt werden. Anschließend können die verschiedenen Parameter gesetzt werden. Der Parameter Name kann mit einem Bezeichner gefüllt werden. Da dem Objekt im nächsten Schritt ohnehin ein Bezeichner zugewiesen wurde, kann dieses Feld auch leer bleiben. Mit dem Parameter Option kann gewählt werden, ob eine zwei- oder dreidimensionale Geometrie erzeugt werden soll. Hier wird nur der Umgang mit der zweidimensionalen Eingabe behandelt. Die dreidimensionale Eingabe besitzt jedoch einige Sonderfunktionen. Mit den Parametern Axis und Location lässt sich wie im Fall des Befehls Plane, eine Bezugsachse und eine Distanz auf dieser Hauptachse definieren. Flächen und Körper in ASAP

20 Flächen und Körper in ASAP 20 Mit einem Doppelklick auf das Eingabefeld des Parameters Parameters lässt sich das Eingabefenster öffnen. In diesem Eingabefenster können nun einzelne Koordinatenpunkte angegeben werden, die zusammen die Kontur der zu erzeugenden Fläche ergeben. Dabei besteht jeder Punkt aus einem x- Wert, einem y-wert und dem q-wert. Die x- und y-werte geben die Position der Punkte an. Der Bezugspunkt ist der Schnittpunkt der x-y- Ebene mit der gewählten Hauptachse. Der q-wert gibt die Verbindungsart an, die zwischen einem Punkt und seinem Folgepunkt erzeugt wird. Bei 0 bleibt die Verbindung offen, bei 1 wird eine gerade Linie als Verbindung erzeugt. Außerdem können durch andere Werte verschiedene Kurven erzeugt werden. Die Parameter hierfür können aus der ASAP-Dokumentation entnommen werden. x y q Flächen und Körper in ASAP

21 Einfache Linsen in ASAP 21 Einfache Linsen in ASAP Analog zur Eingabe der Oberflächen können auch einfache Linsen modelliert werden. Mit einem Doppelklick auf das erste Feld einer leeren Zeile lässt sich aus dem Builder heraus das entsprechende Kontextmenü öffnen. Wählt man Geometry und dann Lenses erhält man eine Liste aller vorgefertigten Linsentypen. Die am häufigsten genutzten Linsen sind Ideal, Singlet und Doublet. Übersicht der einfachen Linsenmodelle

22 Einfache Linsen in ASAP 22 Der Linsentyp Ideal liefert die Modellierung einer idealisierten Linse, die nicht alle physikalischen Eigenschaften abbildet. Dennoch genügt diese Modellierung häufig den Anforderungen, die sich aus Aufgabenstellungen der einfachen geometrischen Optik ergeben. Die Linseneigenschaften werden durch zwei ebene Flächen abgebildet, deren Brechungsindizes die optischen Eigenschaften der Linse nachbilden. Eigenschaften, wie die Krümmung der Linsenoberfläche bleiben allerdings unberücksichtigt. Genau wie der Plane -Befehl, sollte auch der Ideal -Befehl als Entity gekennzeichnet werden, um mit dem folgenden Object -Befehl einen Bezeichner wählen zu können, der überall verfügbar ist. Wie bei anderen Modellen kann auch beim Ideal -Befehl eine Achse und eine Distanz zum Nullpunkt gewählt werden. Linsentyp Ideal

23 Einfache Linsen in ASAP 23 Die Parameter In Semiap und Out Semiap geben die Radien der beiden Flächen an, während der Parameter Distance den Abstand zwischen den beiden Flächen beschreibt. Mit einem Doppelklick auf das Feld ABCD Matrix lässt sich ein Eingabefenster öffnen, indem die Brennweite der Linse eingegeben werden kann. Zur Beschreibung der Linsenparameter, wird der Kehrwert der Brennweite angegeben und mit -1 multipliziert. Dieser Wert wird an dritter Stelle (hier ) notiert. Die Herleitung der Matrix und die Bedeutung des negativen Vorzeichens können den Vorlesungsunterlagen entnommen werden. Linsentyp Ideal

24 Einfache Linsen in ASAP 24 Die Singlet -Linse ist die Beschreibung einer einfachen Linse in ASAP. Bei dieser Beschreibung werden die physikalischen Eigenschaften genauer abgebildet. Im Vergleich mit der Ideal -Linse führt die Verwendung der Singlet -Linse also zu einer höheren Übereinstimmung zwischen den Simulationsergebnissen und der Realität. Wie bereits von anderen Objekten bekannt, kann auch die Singlet -Linse mit verschiedenen Parameter geometrisch beschrieben werden. Im Unterschied zur Ideal -Linse werden hier die Brechungseigenschaften jedoch nicht durch einen festen Wert in einer Matrix beschrieben, sondern durch die Angabe des zu simulierenden Materials, hier ein Kronglas. Diese Angabe ermöglicht es ASAP weitere Eigenschaften wie zum Beispiel die Abhängigkeit des Brechungsindex von der Wellenlänge zu simulieren. Linsentyp Singlet

25 Einfache Linsen in ASAP 25 Die Doublet -Linse ist die Modellierung eines Achromaten in ASAP. Der Zweck, die Funktion und die beschreibenden Größen eines Achromaten können den Vorlesungsunterlagen entnommen werden. Linsen vom Type Doublet können direkt benannt werden und ihre Geometrie durch die entsprechenden Parameter beschrieben werden. Die Parameter Media 1 und Media 2 geben die beiden Glassorten an, mit denen die beiden Linsen des Achromaten simuliert werden. Der Parameter Abbe Ratio bezieht sich auf die Abbe'sche Zahl (siehe Vorlesung). Linsentyp Doublet

26 Einfache Lichtquellen in ASAP 26 Einfache Lichtquellen in ASAP Einfach Lichtquellen können in ASAP simuliert werden, indem von einer Oberfläche Strahlen ausgesendet werden. Diese einfache Simulation kann jedoch keine Materialeigenschaften berücksichtigen und es kann keine Abstrahlcharakteristik berücksichtigt werden. Dennoch kann es sich anbieten, eine Simulation zunächst mit einer einfachen Quelle zu simulieren, um zum Beispiel Fehler im Strahlengang oder in der Simulation selbst ausfindig zu machen. Im zweiten Schritt kann dann eine reale Quelle eingebaut werden, deren Ergebnisse dann zur Optimierung des Systems genutzt werden. Einfache Lichtquellen in ASAP

27 Einfache Lichtquellen in ASAP 27 Einfach Lichtquellen können in ASAP simuliert werden, indem von einer Oberfläche Strahlen ausgesendet werden. Im ersten Schritt muss dazu ein entsprechende Geometrie, z. B. eine rechteckige Fläche, erstellt werden. Der Befehl Emitting erstellt eine simple Geometrie in Abhängigkeit des Parameters Option. Die Geometrie kann durch die folgenden vier Parameter beschrieben werden. Der Parameter Ray Count gibt die Anzahl der Strahlen wieder, die ASAP simuliert. Der Wert sollte wenigstens einige hundert Strahlen umfassen. Bei hohen Anzahlen dauert die Berechnung entsprechend lange. Die beiden Parameter Half Angle und Half Angle' beschreiben den Öffnungswinkel in zwei Dimensionen. Einfache Lichtquellen in ASAP