Tutoriel sur le lancer de rayons (partie C) : démonstration MicroLens – conception de formes (gaussiennes et sphères)

Dans la partie B, nous avons utilisé le diaphragme comme un filtre spatial/angulaire puissant et nous avons constaté à quel point la sensibilité de l’acceptation du détecteur peut varier. Dans cette dernière partie, nous modifions la géométrie des éléments de microlentille eux-mêmes. L’objectif n’est pas d’« optimiser » une lentille, mais de développer une compréhension intuitive : la forme de la surface contrôle la distribution angulaire des rayons qui s’échappent, ce qui détermine directement la quantité de lumière que le détecteur peut capter à travers une ouverture finie.

1. Modifier la forme des lentilles.

Faites un clic droit sur l’objet « microlentille » dans la scène 3D et sélectionnez « Éditeur de maillage » (??). Cela ouvre la fenêtre de l’éditeur de maillage de la microlentille (??), où vous pouvez modifier la géométrie en sélectionnant une forme différente dans la base de données.

Dans l’éditeur de maillage, modifiez le paramètre « Forme » de la base de données, en passant de la forme par défaut (dôme) à la forme gaussienne, puis relancez la simulation. Le résultat devrait être similaire à ??. Observez comment le faisceau de rayons change : le profil gaussien a tendance à redistribuer les rayons différemment, et dans cette configuration particulière, vous constaterez souvent que moins de lumière traverse l’ouverture du détecteur. Il s’agit d’un effet géométrique : le détecteur ne peut accepter que les rayons se trouvant dans une plage limitée de position/angle, de sorte que toute modification qui augmente la divergence (ou qui décale les rayons latéralement) réduit la capacité d’acceptation.

Ensuite, essayez une géométrie plus extrême. Dans l’éditeur de maillage, remplacez l’objet microlentille par des sphères en sélectionnant l’icône de la sphère, puis reconstruisez et relancez la simulation. Le résultat est visible dans ??. Par rapport à une surface de lentille lisse, les éléments sphériques se comportent davantage comme des éléments à forte courbure qui introduisent une plus grande variété d’angles de rayons, ce qui peut augmenter considérablement les fuites latérales et les trajets parasites.

Quelles sont les principales conclusions à tirer de l’étude des fonctions gaussiennes et des sphères ?

La leçon essentielle est que l’« efficacité d’extraction » ne se limite pas à la quantité de lumière qui émane d’une surface, mais aussi à la direction dans laquelle elle est émise. Dans les scènes décrites, le détecteur n’est pas un hémisphère infini : il est placé derrière une ouverture finie, de sorte que seule une partie des angles de rayons est utile. Une surface qui produit un faisceau étroit et axial peut sembler « lumineuse » au niveau du détecteur, même si la puissance totale émise est similaire, car elle correspond à la capacité d’acceptation du système.

La forme gaussienne a tendance à adoucir la distribution de la courbure de la surface par rapport à une simple calotte, ce qui peut modifier les angles de réfraction locaux sur l’ensemble de la zone. En fonction de votre géométrie, cela peut augmenter la divergence, déplacer le point de convergence ou modifier le point où les rayons traversent le plan d’ouverture. L’effet global est souvent une diminution de la puissance acceptée : il y a plus de rayons, mais moins d’entre eux tombent dans la petite fenêtre d’espace de phase que le détecteur peut capter. En d’autres termes, vous avez modifié l’adaptation de l’étendue entre la source, la microlentille et le détecteur.

Le boîtier des sphères (ou des boules) est délibérément « non optique » au sens classique du terme : il introduit une forte courbure et offre de multiples possibilités de lancer des rayons sous de grands angles. Cela a tendance à créer davantage de trajets de lumière parasites et de fuites latérales, ce qui correspond exactement au type de comportement que les concepteurs d’optiques cherchent à supprimer en utilisant des surfaces lisses, en veillant à un positionnement précis des diaphragmes et en utilisant des déflecteurs. Il s’agit d’un test de performance utile : si le signal de votre détecteur diminue lorsque vous introduisez des éléments sphériques, cela indique que le système est limité en termes d’acceptation et très sensible à la diffusion angulaire.

Concrètement, c’est également pour cette raison que les réseaux de microlentilles dans les systèmes d’imagerie sont conçus en fonction de la configuration spécifique du capteur et de la géométrie de l’ouverture : on ne conçoit pas « une lentille », mais plutôt un transformateur angulaire qui permet de faire correspondre la distribution d’une source à la zone de réception de l’optique en aval. L’objectif de cette démonstration est de montrer qu’OghmaNano permet d’explorer cette correspondance visuellement avant de s’engager dans des mesures ou un processus d’optimisation.