آموزش رهگیری پرتو (بخش B): دموی MicroLens – فیلتر کردن دهانه و پیمایش منبع
در بخش A دموی MicroLens را بارگذاری کردید و یک شبیهسازی رهگیری پرتو مبنا اجرا کردید. در این بخش، ما عمداً استاپ دهانه را میبندیم تا فقط یک دسته باریک از پرتوها بتواند به آشکارساز برسد. این کار سامانه را به یک فیلتر قوی فضایی/زاویهای تبدیل میکند: بیشتر پرتوها رد میشوند و فقط پرتوهای نزدیک به محور پذیرفته میشوند.
1. دهانه را ببندید (کاهش d0)
در نمای سهبعدی، روی استاپ دهانه (صفحه آبی با یک سوراخ) راستکلیک کنید و Mesh editor
را همانطور که در ?? نشان داده شده است باز کنید.
این کار پنجره ویرایشگر دهانه را باز میکند
(??)،
که در آن میتوانید اندازه سوراخ را کنترل کنید. مقدار D0 را روی 0.005 m قرار دهید.
این کار عملاً دهانه را میبندد و بهشدت محدود میکند که کدام پرتوها میتوانند از آن عبور کرده و به آشکارساز برسند.
از این نظر، دهانه نقشی مشابه سوراخسنجاقی در یک میکروسکوپ کنفوکال یا
field stopهایی که در دیگر ابزارهای اپتیکی استفاده میشوند ایفا میکند: فقط پرتوهایی که از بازه باریکی از موقعیتها و زاویهها
میرسند پذیرفته میشوند، در حالی که نور خارج از محور و نور سرگردان رد میشود.
0.005 m قرار دهید تا سوراخ بسته شود.
شبیهسازی را دوباره اجرا کنید (F9). اکنون باید ببینید که بیشتر پرتوها رد میشوند: فقط بخش کوچکی از نور از دهانه عبور میکند و به صفحه آشکارساز (شبکه بنفش) میرسد، همانطور که در ?? نشان داده شده است. از نظر مفهومی، دهانه پرتوها را بر اساس اینکه از کجا میآیند و با چه زاویهای حرکت میکنند انتخاب میکند: پرتوهایی که بیش از حد خارج از محور میرسند (یا از «ناحیه نادرست» آرایه microlens منشأ میگیرند) مسدود میشوند.
d0 = 0.005 m)، بیشتر پرتوها مسدود میشوند و فقط یک دسته باریک به آشکارساز میرسد.
2. موقعیت منبع را پیمایش کنید و پذیرش را مشاهده کنید
دوربین را دوباره تنظیم کنید تا بتوانید ناحیه منبع و microlensها را بهوضوح ببینید، مشابه ??. با استفاده از ماوس، منبع اپتیکی را بهصورت جانبی در سراسر پنجره شبیهسازی جابهجا کنید و سعی کنید نقطهای را پیدا کنید که در آن دیگر پرتوها به آشکارساز نرسند. با تقریباً بسته بودن دهانه، بازهای از موقعیتهای منبع وجود خواهد داشت که در آن پرتوها هنوز میتوانند از سوراخ عبور کرده و به آشکارساز برسند، و فراتر از یک جابهجایی مشخص، آشکارساز عملاً هیچ نوری دریافت نخواهد کرد.
برای کمّیسازی میزان نوری که به آشکارساز میرسد، به زبانه Output بروید، detector0 را باز کنید، و سپس
detector_efficiency0.csv را باز کنید. این فایل طول موج را در برابر کسری از نور گسیلشده که توسط آشکارساز پذیرفته میشود ترسیم میکند.
آشکارسازها و خروجیهای آنها در آموزشهای دیگر با جزئیات بیشتری پوشش داده شدهاند؛ در اینجا از طیف بازده بهعنوان یک سنجه فشرده از
پذیرش اپتیکی استفاده میکنیم.
فیلترگذاری اپتیکی به سبک کنفوکال (قیاس سوراخسنجاقی)
-90 تا +90 با 20 گام) بازتر کنید.
یک میکروسکوپ کنفوکال با استفاده از یک سوراخسنجاقی که بهگونهای قرار داده شده است که نور ناحیه کانونی را بهطور ترجیحی عبور دهد، کنتراست تصویر را بهبود میبخشد، در حالی که نور خارج از فوکوس و نور خارج از محور رد میشود. این موضوع معمولاً از نظر برشنگاری عمقی (محوری) معرفی میشود، اما همین اصل بهصورت جانبی نیز اعمال میشود: یک دهانه میتواند بهعنوان یک فیلتر فضایی عمل کند که فقط نور را از یک ناحیه محدود و بازه زاویهای محدود میپذیرد.
در این دموی MicroLens، استاپ دهانه نقشی مشابه سوراخسنجاقی کنفوکال دارد: یک شرط پذیرش سختگیرانه اعمال میکند. وقتی منبع را به طرفین پیمایش میکنید، در عمل در حال اندازهگیری یک تابع پذیرش جانبی برای سامانه اپتیکی هستید. بستن دهانه، پسزمینه و پرتوهای سرگردان را سرکوب میکند، اما همچنین سیگنال آشکارساز را به موقعیت منبع و زاویه گسیل بسیار حساس میکند.
3. نور را در یک بازه زاویهای گستردهتر گسیل کنید
در ادامه، منبع را وادار میکنیم نور را در مجموعه گستردهتری از جهتها گسیل کند. روی منبع نور راستکلیک کنید تا ویرایشگر منبع باز شود
(??).
گستره زاویهای Phi را افزایش دهید تا نور از -90 تا +90 درجه با استفاده از 20 گام گسیل شود.
این کار پرتوها را در جهتهای بسیار بیشتری گسیل خواهد کرد.
شبیهسازی را دوباره اجرا کنید. باید پرتوهای بسیار بیشتری ببینید، از جمله پرتوهایی که از طرفین خارج میشوند و همچنین پرتوهایی که از طریق دهانه به سمت بالا عبور میکنند،
همانطور که در ?? نشان داده شده است.
اگر دوباره detector0/detector_efficiency0.csv را بررسی کنید، پذیرش آشکارساز معمولاً بسیار کم خواهد بود:
بیشتر نور گسیلشده قیود هندسی لازم برای عبور از استاپ و رسیدن به آشکارساز را برآورده نمیکند.
چرا جمعآوری کارآمد نور دشوار است
این رفتار بازتابدهنده یک دشواری عمومی در سامانههای اپتیکی است: زمانی که دهانهها، بافلها، اندازههای محدود آشکارساز، یا عدد گشودگی محدود را وارد میکنید، یک شرط پذیرش سختگیرانه در موقعیت و زاویه اعمال میکنید. نوری که در یک توزیع زاویهای گسترده گسیل میشود (برای مثال از پراکندگی، گسیلکنندههای پخشی، فلورسانس، یا سطوح زبر) ذاتاً بهسختی بهصورت کارآمد جمعآوری میشود مگر اینکه یا (i) یک اپتیک جمعآوری با NA بالا داشته باشید، (ii) یک آشکارساز منطبق با etendue داشته باشید، یا (iii) پسزمینه و نور سرگردان بیشتری را بپذیرید.
نمونههای عملی شامل سامانههای تصویربرداری هستند که با flare و veiling glare مقابله میکنند (که در آن نور سرگردان کنتراست را میشوید)، سامانههای میکروسکوپی که سیگنال را با برشنگاری اپتیکی معاوضه میکنند (سوراخسنجاقی کنفوکال پسزمینه را رد میکند اما سیگنال را نیز رد میکند)، و حسگرهایی که پشت پنجرهها یا محفظهها قرار دارند و بازتابهای داخلی در آنها مسیرهای شبحگونه ایجاد میکند. دموی MicroLens این مصالحهها را قابل مشاهده میکند: دهانه را ببندید و پسزمینه را سرکوب میکنید، اما سامانه را نیز نسبت به موقعیت منبع و زاویه گسیل بسیار کمتحملتر میکنید.
👉 گام بعدی: به بخش C ادامه دهید، جایی که هندسه را تغییر خواهیم داد (برای مثال با تغییر پروفایلهای گنبدی و افزودن ریزساختار سطحی) و مشاهده خواهیم کرد که این تغییرات چگونه پذیرش و رفتار نور سرگردان را تغییر میدهند.