Tutorial de trazado de rayos (Parte B): Demostración MicroLens – Filtrado por apertura y barrido de la fuente

En la Parte A cargó la demostración MicroLens y ejecutó una simulación base de trazado de rayos. En esta parte cerraremos deliberadamente el diafragma de apertura para que solo un haz estrecho de rayos pueda llegar al detector. Esto convierte al sistema en un fuerte filtro espacial/angular: la mayoría de los rayos se rechazan y solo se aceptan los rayos casi sobre el eje.

1. Cierre la apertura (reduzca d0)

En la vista 3D, haga clic con el botón derecho sobre el diafragma de apertura (la placa azul con un orificio) y abra el Mesh editor como se muestra en ??. Esto abre la ventana del editor de apertura (??), donde puede controlar el tamaño del orificio. Establezca D0 en 0.005 m. Esto cierra efectivamente la apertura, limitando fuertemente qué rayos pueden pasar a través de ella hasta el detector. En este sentido, la apertura desempeña un papel similar al pinhole en un microscopio confocal o a los diafragmas de campo utilizados en otros instrumentos ópticos: solo se aceptan rayos que llegan desde un intervalo estrecho de posiciones y ángulos, mientras que la luz fuera del eje y la luz parásita se rechazan.

Vuelva a ejecutar la simulación (F9). Ahora debería ver que la mayoría de los rayos se rechazan: solo una pequeña fracción de luz atraviesa la apertura y alcanza el plano del detector (rejilla morada), como se muestra en ??. Conceptualmente, la apertura selecciona los rayos en función de de dónde proceden y con qué ángulo se desplazan: los rayos que llegan demasiado fuera del eje (o que se originan en la “región incorrecta” de la matriz de microlentes) quedan bloqueados.

2. Barra la posición de la fuente y observe la aceptación

Reoriente la cámara para que pueda ver claramente la región de la fuente y las microlentes, de forma similar a ??. Usando el ratón, mueva lateralmente la fuente óptica a través de la ventana de simulación e intente encontrar el punto en el que los rayos dejan de llegar al detector. Con la apertura casi cerrada, existirá un intervalo de posiciones de la fuente para las cuales los rayos todavía pueden pasar por el orificio y alcanzar el detector, y más allá de cierto desplazamiento el detector no recibirá prácticamente luz.

Para cuantificar cuánta luz llega al detector, cambie a la pestaña Output, abra detector0 y, a continuación, abra detector_efficiency0.csv. Este archivo representa la longitud de onda frente a la fracción de luz emitida aceptada por el detector. Los detectores y sus salidas se tratan con más detalle en otros tutoriales; aquí usamos el espectro de eficiencia como una medida compacta de la aceptación óptica.

Filtrado óptico de tipo confocal (analogía del pinhole)

Un microscopio confocal mejora el contraste de imagen usando un pinhole colocado de modo que la luz procedente de la región focal se transmita preferentemente, mientras que la luz desenfocada y fuera del eje se rechaza. Esto suele introducirse en términos de seccionamiento en profundidad (axial), pero el mismo principio también se aplica lateralmente: una apertura puede actuar como un filtro espacial que solo admite luz desde una región y un intervalo angular limitados.

En esta demostración MicroLens, el diafragma de apertura desempeña un papel similar al pinhole confocal: impone una condición estricta de aceptación. Cuando barre la fuente lateralmente, está midiendo de hecho una función de aceptación lateral del sistema óptico. Cerrar la apertura suprime el fondo y los rayos parásitos, pero también hace que la señal del detector sea muy sensible a la posición de la fuente y al ángulo de emisión.

3. Emita luz sobre un intervalo angular más amplio

A continuación haremos que la fuente emita en un conjunto más amplio de direcciones. Haga clic con el botón derecho sobre la fuente de luz para abrir el editor de la fuente (??). Aumente el intervalo angular Phi para que la luz se emita desde -90 hasta +90 grados usando 20 pasos. Esto emitirá rayos en muchas más direcciones.

Vuelva a ejecutar la simulación. Debería ver muchos más rayos, incluidos rayos que escapan lateralmente así como hacia arriba a través de la apertura, como se muestra en ??. Si inspecciona de nuevo detector0/detector_efficiency0.csv, la aceptación del detector será normalmente muy baja: la mayor parte de la luz emitida no cumple las restricciones geométricas necesarias para pasar por el diafragma y alcanzar el detector.

Por qué la recogida eficiente de luz es difícil

Este comportamiento refleja una dificultad general en los sistemas ópticos: una vez que se introducen aperturas, bafles, tamaños finitos de detector o apertura numérica limitada, se impone una condición estricta de aceptación en posición y ángulo. La luz emitida sobre una distribución angular amplia (por ejemplo procedente de dispersión, emisores difusos, fluorescencia o superficies rugosas) es intrínsecamente difícil de recoger con eficiencia sin (i) una óptica de recogida de alta NA, (ii) un detector adaptado al etendue, o (iii) aceptar más fondo y luz parásita.

Ejemplos prácticos incluyen sistemas de imagen que combaten flare y veiling glare (donde la luz parásita lava el contraste), sistemas de microscopía que intercambian señal por seccionamiento óptico (el pinhole confocal rechaza el fondo, pero también rechaza señal), y sensores detrás de ventanas o carcasas donde las reflexiones internas crean trayectorias fantasma. La demostración MicroLens hace visibles estos compromisos: cierre la apertura y suprimirá el fondo, pero también hará que el sistema sea mucho menos tolerante a la posición de la fuente y al ángulo de emisión.