Tutoriel sur le lancer de rayons (partie B) : démonstration MicroLens – filtrage de l’ouverture et balayage de la source.

Dans la partie A, vous avez chargé la version de démonstration de MicroLens et lancé une simulation de référence de lancer de rayons. Dans cette partie, nous réduisons intentionnellement l’ouverture afin que seul un faisceau étroit de rayons puisse atteindre le détecteur. Cela transforme le système en un filtre spatial/angulaire puissant : la plupart des rayons sont rejetés et seuls les rayons proches de l’axe sont acceptés.

1. Fermez l’ouverture (réduisez d0).

Dans la vue 3D, faites un clic droit sur le diaphragme (la plaque bleue avec un trou) et ouvrez l’éditeur de maillage comme indiqué dans ??. Cela ouvre la fenêtre de l’éditeur de diaphragme (??), où vous pouvez contrôler la taille du trou. Définissez D0 sur 0.005 m. Cela ferme efficacement le diaphragme, ce qui limite considérablement les rayons qui peuvent atteindre le détecteur. À cet égard, le diaphragme joue un rôle similaire à celui du trou d’épingle dans un microscope confocal ou aux diaphragmes utilisés dans d’autres instruments optiques : seuls les rayons provenant d’une plage étroite de positions et d’angles sont acceptés, tandis que les rayons hors axe et la lumière parasite sont rejetés.

Relancez la simulation.F9). Vous devriez maintenant constater que la plupart des rayons sont déviés : seule une petite partie de la lumière traverse l’ouverture et atteint le plan du détecteur (grille violette), comme illustré dans ??Sur le plan théorique, l’ouverture sélectionne les rayons en fonction de où d’où ils viennent et quel angle ils se déplacent de telle sorte que : les rayons qui arrivent avec un angle trop important (ou qui proviennent de la « mauvaise » région de la matrice de microlentilles) sont bloqués.

2. Analysez la position de départ et vérifiez si elle est acceptable.

Réorientez la caméra de manière à pouvoir voir clairement la région source et les microlentilles, comme dans ??. À l’aide de la souris, déplacez la source optique latéralement dans la fenêtre de simulation et essayez de trouver le point auquel les rayons ne atteignent plus le détecteur. Lorsque l’ouverture est presque fermée, il existe une plage de positions de la source pour lesquelles les rayons peuvent encore traverser l’ouverture et atteindre le détecteur, mais au-delà d’un certain décalage, le détecteur ne recevra pratiquement plus de lumière.

Pour quantifier la quantité de lumière qui atteint le détecteur, passez à l’onglet « Sortie », ouvrez le fichier detector0, puis ouvrez le fichier detector_efficiency0.csv. Ce fichier représente graphiquement la longueur d’onde en fonction de la fraction de lumière émise qui est captée par le détecteur. Les détecteurs et leurs sorties sont décrits plus en détail dans d’autres tutoriels ; ici, nous utilisons le spectre d’efficacité comme mesure concise de la capacité d’acceptation optique.

Filtrage optique de type confocal (principe du trou d’épingle)

Un microscope confocal améliore le contraste de l’image en utilisant un diaphragme placé de manière à ce que la lumière provenant de la zone focale soit transmise de préférence, tandis que la lumière provenant de zones non focales ou situées en dehors de l’axe est bloquée. On décrit généralement ce processus en termes de sectionnement en profondeur (axial), mais le même principe s’applique également en plan : une ouverture peut agir comme un filtre spatial qui ne laisse passer que la lumière provenant d’une zone et d’une plage angulaire limitées.

Dans cette démonstration de MicroLens, le diaphragme joue un rôle similaire à celui de l’ouverture confocale : il impose une condition d’acceptation stricte. Lorsque vous effectuez une numérisation latérale de la source, vous mesurez en réalité une fonction d’acceptation latérale du système optique. Le fait de fermer le diaphragme réduit le bruit de fond et les rayons parasites, mais il rend également le signal du détecteur très sensible à la position de la source et à l’angle d’émission.

3. Émettre de la lumière sur une plage angulaire plus étendue.

Ensuite, nous allons configurer la source de lumière pour qu’elle émette dans un éventail de directions plus large. Faites un clic droit sur la source de lumière pour ouvrir l’éditeur de source (??). Augmentez l’angle Phi afin que la lumière soit émise de -90 à +90 degrés, en utilisant 20 incréments. Cela permettra d’émettre des rayons dans un plus grand nombre de directions.

Relancez la simulation. Vous devriez voir beaucoup plus de rayons, y compris ceux qui s’échappent latéralement ainsi que ceux qui traversent l’ouverture vers le haut, comme indiqué dans ??. Si vous examinez à nouveau detector0/detector_efficiency0.csv, vous constaterez que l’efficacité de détection est généralement très faible : la plupart de la lumière émise ne satisfait pas aux contraintes géométriques nécessaires pour traverser le diaphragme et atteindre le détecteur.

Pourquoi la collecte efficace de la lumière est-elle difficile ?

Ce comportement reflète une difficulté générale dans les systèmes optiques : une fois que vous introduisez des ouvertures, des déflecteurs, des détecteurs de taille finie ou une ouverture numérique limitée, vous imposez une condition d’acceptation stricte en termes de position et d’angle. La lumière émise sur une large plage angulaire (par exemple, provenant de la diffusion, d’émetteurs diffus, de la fluorescence ou de surfaces rugueuses) est intrinsèquement difficile à collecter efficacement sans recourir à l’une des solutions suivantes : (i) une optique de collecte à ouverture numérique élevée, (ii) un détecteur adapté à l’étendue, ou (iii) accepter une plus grande quantité de lumière parasite et de fond.

Les exemples concrets incluent les systèmes d’imagerie qui luttent contre les effets de halo et d’éblouissement (où la lumière parasite réduit le contraste), les systèmes de microscopie qui sacrifient le signal pour obtenir une section optique (l’ouverture confocale rejette le bruit de fond, mais aussi le signal), et les capteurs placés derrière des fenêtres ou dans des boîtiers où les réflexions internes créent des trajets lumineux parasites. La démonstration de MicroLens permet de visualiser ces compromis : en fermant l’ouverture, on réduit le bruit de fond, mais on rend également le système beaucoup moins tolérant aux variations de la position de la source et de l’angle d’émission.