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MacroSim

Ray Tracing ist seit den frühen Zeiten der technischen Optik, in denen Ernst Abbe und Carl Zeiss damit begannen, optische Mikroskope systematisch zu entwickeln, das wichtigste Werkzeug für Optik-Designer. Es basiert mit der sogenannten Eikonal-Gleichung auf einer Näherung der skalaren Helmholtz-Gleichung im Limit kurzer Wellenlängen. In abschnittsweise homogenen Medien besteht es aus einer wiederholten Berechnung der Schnittpunkte zwischen Strahlen und den Oberflächen, die die homogenen Volumen begrenzen. Dieses Prinzip beinhaltet keinerlei Abhängigkeit der einzelnen Strahlen und führt auf eine lineare Abhängigkeit der Rechenzeit von der Anzahl der berechneten Strahlen. Diese gegenseitige Unabhängigkeit der Strahlen impliziert ein enormes Potential für die Parallelisierung der Rechenlast. Daher entwickelt das Institut für Technische Optik unter dem Namen MacroSim einen GPU-Beschleunigten Ray Tracer, der auf nVidias acceleration engine OptiX aufbaut. Er rechnet in double precision und nutzt die massiv parallel Architektur moderner Grafikkarten. MacroSim wurde bereits auf rechenintensive Problemstellungen, wie zum Beispiel die Streulichtanalyse komplexer optischer Systeme auf Basis von Monte Carlo Ray Tracing, angewendet. Außerdem ist der Quellcode des Ray Tracers unter einer GPL-Lizenz veröffentlicht und steht der Öffentlichkeit zur Entwicklung eigener, anwendungsspezifischer Erweiterungen offen.

Abbildung 1: Screenshot der GUI von MacroSim. Das zentrale Widget zeigt eine gerenderte 3D-Darstellung der optischen Szene. Das aktuell ausgewählte Objekt wird in grün hervorgehoben und seine Parameter können im Widget in der rechten unteren Ecke editiert werden.

Literature

  1. F. Mauch, M. Gronle, W. Lyda, W. Osten, Open-source graphics processing unit–accelerated ray tracer for optical simulation, Opt. Eng. 52(5), 053004 (May 09, 2013). http://dx.doi.org/10.1117/12.889175
  2. F. Mauch, D. Fleischle, W. Lyda, W. Osten, T. Krug, R. Häring, Combining rigorous diffraction calculation and GPU accelerated nonsequential raytracing for high precision simulation of a linear grating spectrometer, Proc. SPIE 8083, Modeling Aspects in Optical Metrology III, 80830F (May 23, 2011). http://dx.doi.org/10.1117/12.889175