Optische Sensoren

1. Einleitung

In OghmaNano werden optische Detektoren verwendet, um Licht zu messen, während es sich durch ein optisches System ausbreitet. Die Detektoren werden mithilfe des Editors für optische Detektoren definiert, der über die Registerkarte „Optisch“ im Hauptfenster geöffnet werden kann (siehe Abbildung ??).

Öffnen Sie den Editor für optische Sensoren über die Registerkarte „Optisch“.

Der Editor für optische Detektoren wird in ?? dargestellt. Ein optischer Detektor in OghmaNano ist eine zweidimensionale Oberfläche, die an beliebiger Stelle im Simulationsbereich platziert wird. Konzeptionell verhält er sich wie eine idealisierte CCD-Kamera: Er zählt die Photonen, die ihn durchqueren, und erfasst deren spektrale und räumliche Verteilung.

Detektoren absorbieren, reflektieren oder streuen kein Licht. Sie sind mathematisch gesehen transparent und beeinflussen das optische Feld nicht. Lichtstrahlen, Wellen oder Photonen durchdringen den Detektor unverändert; der Detektor erfasst lediglich, was seine Oberfläche passiert.

OghmaNano Optical Detectors Editor showing detector configuration options — Das Konfigurationsfenster für den Editor für optische Sensoren.

Right-click menu in the 3D scene showing New Detector option — Erstellen Sie einen neuen Detektor direkt aus der 3D-Szene, indem Sie mit der rechten Maustaste klicken.

2. Geometrie und Auflösung des Detektors

Ein Detektor wird durch seine Position, Ausrichtung und laterale Größe (\(dx\) und \(dy\)) definiert. Die Dicke \(dz\) ist irrelevant, da der Detektor als rein zweidimensionale Oberfläche behandelt wird. Der Detektor kann um die Achsen \(x\), \(y\) und \(z\) gedreht werden, wodurch er in jede beliebige Richtung ausgerichtet werden kann. Dadurch ist es möglich, in beliebigen Geometrien ausgesendetes, reflektiertes oder entweichendes Licht zu erfassen. Detektoren können auch interaktiv durch Verschieben innerhalb der 3D-Szene neu positioniert werden.

Im Abschnitt „Detektor“ des Konfigurationsfensters definieren die Parameter „Anzahl der Gitterpunkte in X-Richtung“ und „Anzahl der Gitterpunkte in Y-Richtung“ die Anzahl der räumlichen Bereiche, die über die Detektorfläche verteilt sind. Diese entsprechen direkt der Anzahl der Pixel in einem CCD-Sensor und steuern die räumliche Auflösung der aufgezeichneten Daten. In einer einzelnen Simulation können mehrere Detektoren platziert werden. Jeder Detektor arbeitet unabhängig und erzeugt seinen eigenen Satz von Ausgabedateien.

3. Beispiele für Detektoren

Detector measuring light escaping from an optical system — Ein Detektor, der nach einem optischen System angeordnet ist, um das abgestrahlte Licht zu messen. Der Detektor liefert eine räumlich und spektral aufgelöste Aufzeichnung der durchgelassenen Strahlung.

Detector capturing light emitted from the top of a LEFET — Detektor zur Messung des von der oberen Oberfläche eines lichtemittierenden Feldeffekttransistors (LEFET) emittierten Lichts.

4. Ergebnisse/Ausgaben

Wenn Sie den Ausgabepfad eines Detektors öffnen, werden Sie in der Regel vier Dateien sehen (siehe Abbildung ??): detector_abs0.csv, detector_efficiency0.csv, detector_input0.csv und RAY_image.csv. Zusammen beschreiben diese (i) die räumliche Verteilung des detektierten Lichts und (ii) die spektrale Durchlässigkeit von der Quelle zum Detektor.

Detector output shown as a CCD-like icon in the output browser — Die Ausgabe des Detektors wird als ein CCD-ähnliches Symbol im Ausgabefenster dargestellt.

Detailed detector outputs including spatial images and spectra — Detaillierte Ergebnisse, die durch die Analyse des Lichts, das den Detektor durchläuft, gewonnen werden.

RAY_image.csv ist ein räumlich aufgelöstes Bild dessen, was der Detektor empfängt (konzeptionell ein CCD-Bild). Im Strahlverfolgungsmodus wird es in der Regel durch die Verfolgung von drei repräsentativen Wellenlängen (nominal „R“, „G“ und „B“) und deren direkte Zuordnung zu einem RGB-Bild erzeugt. In Arbeitsabläufen, die keine Strahlverfolgung verwenden, oder wenn ein breiteres Wellenlängenfeld verfolgt wird, wandelt OghmaNano das detektierte Spektrum mithilfe standardmäßiger menschlicher Farbsehsfunktionen in ein darstellbares RGB-Format um (so dass die Farbe eine Schätzung des Erscheinungsbilds darstellt, wie es ein Auge wahrnehmen würde, und nicht eine wörtliche Darstellung mit drei Wellenlängen). In der Praxis sollten Sie bei EL/PL-Spektren viele Wellenlängen verfolgen; ein RGB-Bild mit drei Farben ist für eine schnelle optische Visualisierung geeignet, aber es ist zu ungenau für Emissionsspektren.

Die übrigen drei Dateien bilden eine einfache Kette, die nach dem Prinzip „Eingabe → Erkennung → Effizienz“ funktioniert:

detector_abs0.csv (??): Das verfügbare Spektrum der Quelle, das theoretisch den Detektor hätte erreichen können. Dies ist die Verteilung der emittierten Strahlen/Photonen in Abhängigkeit von der Wellenlänge, bevor Geometrie und Absorption darüber entscheiden, was tatsächlich ankommt.
detector_input0.csv (??): Das Spektrum der Strahlen/Photonen, das tatsächlich die Detektoroberfläche erreicht und durchdringt (als Anzahl gemessen). Die Absorption durch das Material und die Begrenzung des Spektrums verändern dieses. In dem gezeigten Beispiel absorbiert das Glas den UV-Bereich des Spektrums, was zu einer deutlichen Reduktion bei kurzen Wellenlängen führt.
detector_efficiency0.csv (??): Die Wahrscheinlichkeit des Nachweises (in Prozent) in Abhängigkeit von der Wellenlänge, berechnet als \[ \eta(\lambda)=100\times\frac{I_{\text{det}}(\lambda)}{I_{\text{avail}}(\lambda)} =100\times\frac{\texttt{detector_input0.csv}}{\texttt{detector_abs0.csv}}. \]. Physikalisch interpretiert: Wenn ein Strahl/Photon bei einer Wellenlänge von \(\lambda\) emittiert wird, welcher Anteil dieser Emissionen trifft tatsächlich auf den Detektor?

Rendered detector image (spatially resolved) generated from RAY_image.csv — Räumlich aufgelöstes Detektorbild (aus `RAY_image.csv`).

Detector input histogram showing available emitted spectrum that could have hit the detector — Verfügbares Spektrum, das den Detektor hätte erreichen können (aus `detector_abs0.csv`).

Detected light counts versus wavelength from detector_input0.csv — Erfasstes Lichtspektrum in Zähleinheiten (aus `detector_input0.csv`).

Detection efficiency versus wavelength computed from detector_input0.csv divided by detector_abs0.csv — Erkennungseffizienz \(\eta(\lambda)\) in Prozent (aus `detector_efficiency0.csv`).