Tutorial de trazado de rayos (Parte C): Demostración de MicroLens – Ingeniería de forma (Gaussiana y esferas)
En la Parte B utilizamos el diafragma de apertura como un fuerte filtro espacial/angular y vimos cuán sensible puede ser la aceptación del detector. En esta parte final cambiamos la geometría de las propias características de la microlente. El objetivo no es “optimizar” una lente, sino desarrollar intuición: la forma de la superficie controla la distribución angular de los rayos que escapan, y eso determina directamente cuánta luz puede aceptar el detector a través de una apertura finita.
1. Cambiar la forma de las lentes
Haga clic con el botón derecho sobre el objeto de microlente en la escena 3D y seleccione Mesh editor (??). Esto abre la ventana del editor de malla de la microlente (??), donde puede cambiar la geometría seleccionando una forma diferente desde la base de datos.
En el editor de malla, cambie Shape from database de la cúpula predeterminada a gauss, y vuelva a ejecutar la simulación. Su resultado debería ser similar a ??. Observe cómo cambia el haz de rayos: el perfil Gaussiano tiende a redistribuir los rayos de forma diferente, y en esta configuración en particular a menudo encontrará que menos luz atraviesa el orificio del detector. Ese es un efecto geométrico: el detector solo puede aceptar rayos dentro de una ventana limitada de posición/ángulo, por lo que cualquier cambio que aumente la divergencia (o desplace lateralmente los rayos) reduce la aceptación.
A continuación, experimente con una geometría más extrema. En el editor de malla, cambie el objeto de microlente a balls seleccionando el icono de sphere y reconstruyendo/volviendo a ejecutar la simulación. El resultado puede verse en ??. En comparación con una superficie de lente suave, las características esféricas se comportan más como elementos de fuerte curvatura que inyectan una gama más amplia de ángulos de rayos, lo que puede incrementar drásticamente la fuga lateral y las trayectorias parásitas.
Consejo de exploración: Extracción óptica controlada por la forma
- Experimente con diferentes formas de superficie (p. ej. cúpula, gauss, esferas) y observe cómo redirigen la luz.
- Cambie la altura de la forma para modificar la pendiente local de la superficie y, por tanto, la distribución angular de los rayos.
- Superficies más inclinadas o más planas alteran qué rayos pueden pasar a través de la apertura y alcanzar el detector.
- Como resultado, la señal detectada puede cambiar significativamente incluso cuando la potencia total emitida permanece inalterada.
Idea clave: La geometría de las características superficiales controla fuertemente la extracción y la aceptación de luz; pequeños cambios en la forma o la altura pueden dar lugar a grandes diferencias en la cantidad de luz que llega al detector.
Qué extraer de la Gaussiana y las esferas
La lección clave es que la “eficiencia de extracción” no depende solo de cuánta luz sale de una superficie, sino de adónde va. En estas escenas el detector no es un hemisferio infinito: está situado detrás de un diafragma de apertura finita, por lo que solo un subconjunto de ángulos de rayos resulta útil. Una superficie que produce un haz estrecho sobre el eje puede parecer “brillante” en el detector incluso si la potencia total que escapa es similar, porque coincide con la aceptación del sistema.
La forma Gaussiana tiende a suavizar la distribución de curvatura superficial en comparación con una cúpula simple, lo que puede cambiar los ángulos locales de refracción en toda la característica. Dependiendo de su geometría, eso puede aumentar la divergencia, mover la cáustica o desplazar dónde los rayos cruzan el plano de apertura. El efecto neto suele ser una caída de la potencia aceptada: existen más rayos, pero menos caen dentro de la pequeña ventana de espacio de fases que el detector puede recoger. En otras palabras, ha cambiado el acoplamiento de étendue entre la fuente, la microlente y el detector.
El caso de esferas (balls) es deliberadamente “no óptico” en el sentido clásico: introduce una curvatura fuerte y múltiples oportunidades para que los rayos sean lanzados a grandes ángulos. Esto tiende a crear más trayectorias de luz parásita y fuga lateral, que es exactamente el tipo de comportamiento que los diseñadores ópticos reales intentan suprimir con superficies suaves, una colocación cuidadosa del diafragma y bafles. Es una prueba de esfuerzo útil: si la señal del detector colapsa cuando introduce características esféricas, eso le está indicando que el sistema está limitado por aceptación y es altamente sensible a la dispersión angular.
En la práctica, esta es también la razón por la que las matrices de microlentes en sistemas de imagen se diseñan para la pila específica del sensor y la geometría del diafragma: no está diseñando “una lente”, sino que está diseñando un transformador angular que mapea una distribución de fuente en la aceptación de la óptica aguas abajo. El objetivo de esta demostración es que OghmaNano le permite explorar visualmente ese mapeo antes de comprometerse con cualquier métrica o flujo de trabajo de optimización.
✅ Ha terminado: Ahora ha cerrado la apertura, barrido la posición de la fuente y el ángulo de emisión, y modificado la forma de la superficie para ver cómo cambian la aceptación y la luz parásita.