Raytracing-Tutorial (Teil C): MicroLens-Demo – Formgebung (Gaußsche Verteilung und Kugeln)

Im Teil B haben wir die Blende als einen starken räumlichen/winkelfilter verwendet und festgestellt, wie empfindlich die Detektorakzeptanz sein kann. In diesem letzten Teil ändern wir die Geometrie der Mikrolinsen selbst. Ziel ist es nicht, eine Linse zu „optimieren“, sondern ein Verständnis dafür zu entwickeln: Die Form der Oberfläche steuert die Winkelverteilung der austretenden Lichtstrahlen, und das bestimmt direkt, wie viel Licht der Detektor durch eine endliche Blende aufnehmen kann.

1. Die Form der Linsen verändern

Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Mikrolinsenobjekt in der 3D-Szene und wählen Sie „Mesh-Editor“ (??). Dadurch wird das Fenster des Mikrolinsen-Mesh-Editors (??) geöffnet, in dem Sie die Geometrie ändern können, indem Sie eine andere Form aus der Datenbank auswählen.

Im Netz-Editor ändern Sie die Form von „aus Datenbank“ von der Standardeinstellung „Kuppel“ zu „Gauß“ und führen die Simulation anschließend erneut aus. Ihr Ergebnis sollte ähnlich wie in ?? aussehen. Achten Sie darauf, wie sich das Strahlenbündel verändert: Das Gaußsche Profil führt dazu, dass die Strahlen anders verteilt werden, und in dieser speziellen Konfiguration werden Sie oft feststellen, dass weniger Licht durch das Detektorloch dringt. Dies ist ein geometrischer Effekt: Der Detektor kann nur Strahlen innerhalb eines begrenzten Positions-/Winkelbereichs aufnehmen, sodass jede Änderung, die die Divergenz erhöht (oder die Strahlen seitlich verschiebt), die Aufnahmekapazität verringert.

Als Nächstes sollten Sie mit einer noch ausgeprägteren Geometrie experimentieren. Wechseln Sie im Netz-Editor das Mikroobjektiv zu Kugeln, indem Sie das Kugelsymbol auswählen und die Simulation neu erstellen bzw. erneut ausführen. Das Ergebnis ist in ?? zu sehen. Im Vergleich zu einer glatten Linsenoberfläche verhalten sich sphärische Elemente eher wie Elemente mit starker Krümmung, die einen größeren Bereich von Strahlwinkeln erzeugen, was zu einer deutlichen Zunahme der seitlichen Streuung und der Anzahl abweichender Strahlen führen kann.

Was können wir aus der Beschäftigung mit Gaußschen Funktionen und Kugeln lernen?

Die wichtigste Erkenntnis ist, dass es bei der „Extraktionseffizienz“ nicht nur darum geht, wie viel Licht eine Oberfläche verlässt, sondern auch darum, wohin es sich bewegt. In diesen Szenen ist der Detektor keine unendliche Halbkugel: Er befindet sich hinter einer endlichen Blende, sodass nur ein Teil der Strahlwinkel nützlich ist. Eine Oberfläche, die ein enges, auf der Achse ausgerichtetes Lichtbündel erzeugt, kann am Detektor „hell“ wirken, selbst wenn die gesamte abgestrahlte Leistung ähnlich ist, da sie mit der Akzeptanz des Systems übereinstimmt.

Die Gaußsche Form führt im Vergleich zu einer einfachen Kuppel dazu, dass die Verteilung der Oberflächenkrümmung geglättet wird, was die lokalen Brechungswinkel über die gesamte Struktur hinweg verändern kann. Je nach Geometrie kann dies die Divergenz erhöhen, die Kaustik verschieben oder die Position verändern, an der Lichtstrahlen die Aperturebene kreuzen. Der Nettoeffekt ist oft eine Verringerung der akzeptierten Leistung: Es gibt mehr Lichtstrahlen, aber weniger davon fallen in das kleine Phasenraumfenster, das der Detektor erfassen kann. Mit anderen Worten, Sie haben die Anpassung der Etendue zwischen Quelle, Mikroobjektiv und Detektor verändert.

Das Gehäuse für die Kugeln ist bewusst „nicht-optisch“ im klassischen Sinne: Es führt eine starke Krümmung ein und bietet zahlreiche Möglichkeiten, Lichtstrahlen in großen Winkeln auszusenden. Dies führt dazu, dass mehr Streulicht entsteht und es zu seitlichem Lichtverlust kommt, was genau die Art von Verhalten ist, die erfahrene Optikingenieure durch glatte Oberflächen, sorgfältige Anordnung von Blenden und Abschirmungen zu unterdrücken versuchen. Es ist ein nützlicher Stresstest: Wenn das Signal Ihres Detektors zusammenbricht, sobald Sie sphärische Elemente einführen, zeigt dies, dass das System eine begrenzte Akzeptanz aufweist und sehr empfindlich auf Winkelstreuung reagiert.

In der Praxis ist dies auch der Grund, warum Mikrolinsen-Arrays in Bildgebungssystemen speziell für den jeweiligen Sensorstapel und die jeweilige Blendenanordnung konstruiert werden: Man entwirft nicht „eine einzelne Linse“, sondern ein winkeltransformierendes Element, das eine Quellverteilung auf den Aufnahmewinkel der nachfolgenden Optik abbildet. Der Zweck dieser Demonstration ist, dass OghmaNano es Ihnen ermöglicht, diese Abbildung visuell zu untersuchen, bevor Sie sich für bestimmte Messwerte oder einen bestimmten Optimierungsprozess entscheiden.