Raytracing-Tutorial (Teil B): MicroLens-Demo – Blendenfilterung und Quellenscan

In Teil A haben Sie die MicroLens-Demo geladen und eine grundlegende Raytracing-Simulation durchgeführt. In diesem Teil schließen wir die Blende bewusst, sodass nur ein schmaler Strahl auf den Detektor treffen kann. Dadurch wird das System zu einem starken räumlichen/winkelfilter: Die meisten Strahlen werden abgewiesen, und nur Strahlen, die nahezu parallel zur optischen Achse verlaufen, werden akzeptiert.

1. Blende schließen (d0 verringern)

In der 3D-Ansicht klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Blendenöffnung (die blaue Platte mit einem Loch) und öffnen Sie den Mesh-Editor, wie in ?? dargestellt. Dadurch wird das Blenden-Editorfenster (??) geöffnet, in dem Sie die Lochgröße steuern können. Stellen Sie D0 auf 0.005 m ein. Dadurch wird die Blende effektiv geschlossen, was die Anzahl der Strahlen, die den Detektor erreichen können, stark einschränkt. In dieser Hinsicht spielt die Blende eine ähnliche Rolle wie die Lochblende in einem Konfokalmikroskop oder wie die Feldblenden, die in anderen optischen Instrumenten verwendet werden: Nur Strahlen, die aus einem engen Bereich von Positionen und Winkeln kommen, werden akzeptiert, während Strahlen, die von der Achse abweichen, oder Streulicht abgelehnt werden.

Führen Sie die Simulation erneut aus.F9). Sie sollten jetzt sehen, dass die meisten Lichtstrahlen abgelenkt werden: Nur ein kleiner Teil des Lichts gelangt durch die Blende und erreicht die Detektorebene (lila Raster), wie in der Abbildung dargestellt. ??Konzeptionell betrachtet wählt die Blende Strahlen anhand von wo woher sie kommen welcher Winkel sie bewegen sich wie folgt: Strahlengänge, die zu weit außerhalb der optischen Achse ankommen (oder von der „falschen“ Region des Mikroobjektiv-Arrays ausgehen), werden blockiert.

2. Scannen Sie die Ausgangsposition und beobachten Sie, ob sie akzeptiert wird.

Richten Sie die Kamera so aus, dass Sie den Ursprungsbereich und die Mikroobjektive deutlich erkennen können, ähnlich wie in ??. Verwenden Sie die Maus, um die optische Quelle seitlich über das Simulationsfenster zu bewegen, und versuchen Sie, den Punkt zu finden, an dem die Strahlen den Detektor nicht mehr erreichen. Wenn die Blende fast geschlossen ist, gibt es einen Bereich von Ursprungspositionen, für den die Strahlen weiterhin durch das Loch hindurchtreten und den Detektor erreichen können. Ab einer bestimmten Verschiebung empfängt der Detektor jedoch praktisch kein Licht mehr.

Um zu bestimmen, wie viel Licht den Detektor erreicht, wechseln Sie zum Reiter „Ausgabe“, öffnen Sie detector0 und anschließend detector_efficiency0.csv. In dieser Datei wird die Wellenlänge gegen den Anteil des vom Detektor aufgenommenen emittierten Lichts aufgetragen. Detektoren und ihre Ausgaben werden in anderen Tutorials ausführlicher behandelt; hier verwenden wir das Effizienzspektrum als kompaktes Maß für die optische Empfindlichkeit.

Optische Filterung nach dem Konfokalprinzip (Analogie zur Lochblende)

Ein konfokales Mikroskop verbessert den Bildkontrast, indem es eine Blende verwendet, die so positioniert ist, dass Licht aus dem Fokusbereich bevorzugt durchgelassen wird, während Licht, das nicht im Fokus liegt oder von der optischen Achse abweicht, ausgeblendet wird. Dies wird üblicherweise im Zusammenhang mit der Tiefen- bzw. axialen Abtastung beschrieben, aber das gleiche Prinzip gilt auch für die laterale Abtastung: eine Blende kann als räumlicher Filter wirken, der nur Licht aus einem begrenzten Bereich und innerhalb eines begrenzten Winkelbereichs durchlässt.

In dieser MicroLens-Demonstration spielt die Blendenöffnung eine ähnliche Rolle wie das konfokale Loch: Sie setzt eine strenge Akzeptanzbedingung durch. Wenn Sie die Quelle seitlich abtasten, messen Sie im Wesentlichen eine laterale Akzeptanzfunktion des optischen Systems. Das Schließen der Blende reduziert den Hintergrund und Streustrahlung, macht das Detektorsignal aber auch sehr empfindlich gegenüber der Position der Quelle und dem Emissionswinkel.

3. Licht über einen größeren Winkelbereich abstrahlen.

Als Nächstes werden wir die Lichtquelle so einstellen, dass sie in einem größeren Winkelbereich Licht abgibt. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Lichtquelle, um den Editor für die Quelle zu öffnen (??). Erhöhen Sie den Winkelbereich Phi, sodass das Licht von -90 bis +90 Grad in Schritten von 20 abgestrahlt wird. Dadurch werden Lichtstrahlen in viel mehr Richtungen ausgesendet.

Führen Sie die Simulation erneut aus. Sie sollten deutlich mehr Strahlen sehen, darunter auch solche, die seitlich sowie nach oben durch die Blende austreten, wie in ?? dargestellt. Wenn Sie detector0/detector_efficiency0.csv erneut überprüfen, wird die Detektorakzeptanz in der Regel sehr gering sein: Der Großteil des emittierten Lichts erfüllt nicht die geometrischen Anforderungen, um die Blende zu passieren und den Detektor zu erreichen.

Warum eine effiziente Lichtsammlung schwierig ist.

Dieses Verhalten spiegelt eine allgemeine Schwierigkeit bei optischen Systemen wider: Sobald man Blenden, Blendschirme, begrenzte Detektorgrößen oder eine begrenzte numerische Apertur einsetzt, erzwingt man eine strenge Akzeptanzbedingung in Bezug auf Position und Winkel. Licht, das über einen breiten Winkelbereich emittiert wird (z. B. durch Streuung, diffuse Emitter, Fluoreszenz oder raue Oberflächen), lässt sich von Natur aus nur schwer effizient sammeln, ohne entweder (i) eine Sammeloptik mit hoher numerischer Apertur, (ii) einen Detektor mit passender Etendue oder (iii) eine größere Menge an Hintergrund- und Streulicht zu akzeptieren.

Praktische Beispiele sind Bildgebungssysteme, die Blendeffekte und Streulicht reduzieren (wobei Streulicht den Kontrast verringert), Mikroskopsysteme, die Signalstärke gegen optische Schnittbildung austauschen (die konfokale Blende blendet das Hintergrundrauschen aus, reduziert aber auch das Signal), und Sensoren hinter Fenstern oder Gehäusen, bei denen interne Reflexionen zu unerwünschten Lichtpfaden führen. Die MicroLens-Demonstration veranschaulicht diese Kompromisse: Wenn Sie die Blende schließen, reduzieren Sie das Hintergrundrauschen, aber das System wird auch deutlich weniger tolerant gegenüber der Position der Lichtquelle und dem Emissionswinkel.