Οπτικές πηγές φωτός και φάσματα φωτισμού.
1. Εισαγωγή
Στο OghmaNano, οι πηγές φωτός χρησιμοποιούνται για να ορίσουν τα φάσματα φωτισμού που εισέρχονται σε μια οπτική προσομοίωση. Οποιαδήποτε εισερχόμενη οπτική ισχύς, είτε προέρχεται από ηλιακό φως, λέιζερ, λάμπα ή ένα φάσμα που ορίζεται από τον χρήστη, εισάγεται στην προσομοίωση μέσω μιας πηγής φωτός. Για παράδειγμα, ένα τυπικό ηλιακό φάσμα AM1.5G, ένα μονοχρωματικό λέιζερ ή ένα μετρημένο πειραματικό φάσμα μπορούν όλα να αναπαρασταθούν χρησιμοποιώντας τον Επεξεργαστή Πηγών Φωτός.
Το σύστημα πηγής φωτός είναι κοινό σε όλους τους οπτικούς επιλυτές στο OghmaNano, παρέχοντας έναν συνεπή τρόπο ορισμού των συνθηκών φωτισμού, ανεξάρτητα από τη μέθοδο προσομοίωσης που χρησιμοποιείται. Ως εκ τούτου, οι ίδιοι ορισμοί πηγής φωτός μπορούν να εφαρμοστούν σε προσομοιώσεις μήτρας μεταφοράς, προσομοιώσεις πεπερασμένων διαφορών στον τομέα του χρόνου (FDTD) και προσομοιώσεις ανίχνευσης ακτίνων. Αυτό διασφαλίζει ότι διαφορετικά οπτικά μοντέλα μπορούν να συγκριθούν άμεσα υπό πανομοιότυπες συνθήκες φωτισμού.
Αυτή η σελίδα εξηγεί πώς να δημιουργήσετε, να συνδυάσετε και να διαμορφώσετε πηγές φωτός, να εφαρμόσετε οπτικά φίλτρα και να ελέγξετε την κατεύθυνση και την χωρική προέλευση του φωτισμού μέσα στο OghmaNano.
2. Άνοιγμα του επεξεργαστή πηγής φωτός.
Ο Επεξεργαστής Πηγής Φωτός προσβάσιμος μέσω της καρτέλας "Οπτικά" στο κύριο παράθυρο (δείτε Εικ. ??). Όταν ανοίγει, έχει την εμφάνιση που φαίνεται στην ??. Μια πηγή φωτός στο OghmaNano ορίζεται από το φάσμα εκπομπής της. Για παράδειγμα, μπορείτε να ρυθμίσετε μια πηγή ώστε να εκπέμπει το τυπικό φάσμα AM1.5G. Στη συνέχεια, μπορούν να συνδυαστούν πολλαπλά φάσματα στην καρτέλα "Πηγή Φωτός". Αυτό καθιστά δυνατή την επικάλυψη διαφορετικών φασμάτων, όπως το φάσμα AM1.5G μαζί με την εκπομπή ενός φθορίζοντος σωλήνα. Η σχετική ένταση κάθε πηγής ορίζεται χρησιμοποιώντας τη στήλη "Πολλαπλασιαστής", η οποία κλιμακώνει τη συνεισφορά κάθε φάσματος.
Τα οπτικά φίλτρα, τα οποία διαχειρίζεστε στην καρτέλα «Φίλτρα» (??), εφαρμόζονται στο συνδυασμένο φάσμα και όχι σε μεμονωμένες πηγές φωτός. Τα φίλτρα αντιπροσωπεύουν υλικά που απορροφούν ή εμποδίζουν συγκεκριμένες περιοχές μήκους κύματος — για παράδειγμα, προσομοιώνουν μια παχιά γυάλινη στρώση που εμποδίζει την ηλιακή ακτινοβολία κάτω από τα 300 nm. Μπορούν να ενεργοποιηθούν ή να απενεργοποιηθούν χρησιμοποιώντας τον διακόπτη «Ενεργοποίηση», να επιλεγεί το υλικό τους και να καθοριστεί η ένταση εξασθένησης σε dB.
3. Προσανατολισμός της πηγής φωτός
Στο OghmaNano, κάθε πηγή φωτός μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να φωτίζει την προσομοίωση από μια συγκεκριμένη κατεύθυνση ή από μια αυθαίρετη θέση στον τρισδιάστατο χώρο. Οι διαθέσιμες κατευθύνσεις πηγής είναι η κορυφή (y0), ο πυθμένας (y1), το αριστερό (x0), το δεξί (x1), το μπροστινό (z0), το πίσω (z1) και μια αυθαίρετη θέση xyz. Παραδείγματα διαμορφώσεων πηγών εμφανίζονται στις Εικόνες ??, ??, ?? και ??.
Η επιλεγμένη κατεύθυνση της πηγής φωτός μεταφέρεται αυτόματα στον οπτικό επιλυτή που χρησιμοποιείται. Το OghmaNano χρησιμοποιεί ένα κοινό πλαίσιο πηγής φωτός σε όλους τους επιλυτές μέθοδος μεταφοράς μήτρας, FDTD και ιχνηλάτηση ακτίνων, επιτρέποντας την επαναχρησιμοποίηση των ίδιων συνθηκών φωτισμού σε διαφορετικές οπτικές τεχνικές προσομοίωσης.
- Κορυφή (y0): Το φως εισέρχεται μέσω του ανώτερου ορίου του πεδίου προσομοίωσης. Αυτή είναι η πιο συνηθισμένη διαμόρφωση για προσομοιώσεις ηλιακών κυψελών και χρησιμοποιείται συχνά με τη μέθοδο της μήτρας μεταφοράς. Ένα παράδειγμα παρουσιάζεται στο ??.
- Κάτω όριο (y1): Το φως εισέρχεται μέσω του κάτω ορίου του πεδίου προσομοίωσης. Αυτή η διαμόρφωση χρησιμοποιείται συνήθως κατά τη μοντελοποίηση της διάχυσης του φωτός μέσω ενός υποστρώματος ή κατά την προσομοίωση αμφίδρομων συσκευών. Ένα παράδειγμα παρουσιάζεται στο ??.
- Αριστερά (x0) και Δεξιά (x1): Το φως εισέρχεται μέσω των αριστερών ή δεξιών ορίων του πεδίου προσομοίωσης. Αυτοί οι τύποι πηγών είναι χρήσιμοι κατά τη μοντελοποίηση δομών οπτικών αγωγών, πρισματικών πλεγμάτων, συσκευών με πλευρική σύζευξη και γεωμετριών πλευρικού φωτισμού. Ένα παράδειγμα πλευρικού φωτισμού φαίνεται στο ??.
- Μπροστινή (z0) και Πίσω (z1) πλευρά: Το φως εισέρχεται μέσω των μπροστινών ή των πίσω z-συνοριακών επιφανειών του πεδίου προσομοίωσης. Αυτές οι επιλογές χρησιμοποιούνται κυρίως σε τρισδιάστατες οπτικές προσομοιώσεις όπου απαιτείται φωτισμός κατά μήκος του άξονα z.
- Θέση xyz: Η πηγή φωτός τοποθετείται σε μια αυθαίρετη θέση εντός του τρισδιάστατου χώρου προσομοίωσης. Αυτή η λειτουργία προτιμάται γενικά για προσομοιώσεις FDTD και ray tracing, επειδή επιτρέπει τον πλήρη έλεγχο της θέσης της πηγής και της γεωμετρίας του φωτισμού. Ένα παράδειγμα παρουσιάζεται στο ??.
Οι διαθέσιμοι τύποι πηγών εξαρτώνται από τον οπτικό επιλυτή που χρησιμοποιείται. Για προσομοιώσεις με τη μέθοδο της μήτρας μεταφοράς, η φωτεινή ακτινοβολία εφαρμόζεται μέσω μιας από τις οριακές επιφάνειες της προσομοίωσης (x0, x1, y0, y1, z0 ή z1). Οι αυθαίρετες πηγές xyz δεν υποστηρίζονται, επειδή η μέθοδος της μήτρας μεταφοράς απαιτεί σαφώς καθορισμένες οριακές συνθήκες και μια γνωστή κατεύθυνση διάδοσης. Αντίθετα, τόσο οι προσομοιώσεις FDTD όσο και οι προσομοιώσεις ανίχνευσης ακτίνων υποστηρίζουν αυθαίρετες πηγές φωτός xyz και αυτές είναι γενικά ο προτιμώμενος τύπος πηγής για πολύπλοκα τρισδιάστατα οπτικά συστήματα.
Μπορούν να συνδυαστούν πολλαπλές πηγές φωτός μέσα σε μια ενιαία προσομοίωση. Για παράδειγμα, μια συσκευή μπορεί να φωτίζεται ταυτόχρονα από την πάνω (y0) και την κάτω (y1) επιφάνεια, ώστε να προσομοιωθεί η λειτουργία μιας αμφίδρομης ηλιακής κυψέλης. Ομοίως, πηγές που εισέρχονται από διαφορετικές κατευθύνσεις μπορούν να συνδυαστούν για να αναπαραστήσουν διάχυτο φωτισμό, πολλαπλές λάμπες, ανακλώμενο φως ή σύνθετες πειραματικές διατάξεις.
4. Διαμόρφωση των πηγών φωτός xyz.
Όταν εφαρμόζεται φωτισμός μέσω μιας από τις οριακές επιφάνειες της προσομοίωσης (x0, x1, y0, y1, z0 ή z1), το OghmaNano υποθέτει ότι υπάρχει μια ομοιόμορφη πηγή επίπεδου κύματος που διαδίδεται κάθετα στην επιλεγμένη οριακή επιφάνεια. Για πολλές οπτικές προσομοιώσεις, αυτό είναι επαρκές. Ωστόσο, πιο σύνθετα οπτικά συστήματα συχνά απαιτούν μια πηγή φωτός να τοποθετείται σε μια συγκεκριμένη θέση εντός του πεδίου της προσομοίωσης. Αυτό επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας μια πηγή φωτός xyz.
Μια πηγή φωτός τύπου xyz αντιμετωπίζεται ως ένα τυπικό αντικείμενο OghmaNano και, ως εκ τούτου, διαθέτει τα ίδια στοιχεία ελέγχου θέσης και γεωμετρίας που χρησιμοποιούνται σε όλο το περιβάλλον οπτικής προσομοίωσης. Αυτές οι παράμετροι είναι διαθέσιμες στην καρτέλα "Αντικείμενο" του Επεξεργαστή Πηγής Φωτός, όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Το ίδιο παράθυρο διαλόγου μπορεί επίσης να ανοιχτεί απευθείας από το παράθυρο της τρισδιάστατης προσομοίωσης, κάνοντας δεξί κλικ στην πηγή φωτός και επιλέγοντας "Επεξεργασία Αντικειμένου".
Οι παράμετροι του αντικειμένου καθορίζουν τη θέση, το μέγεθος και τον προσανατολισμό της επιφάνειας εκπομπής. Οι τιμές μετατόπισης (Offset) καθορίζουν τις συντεταγμένες x, y και z της πηγής, ενώ οι παράμετροι μεγέθους xyz καθορίζουν τις φυσικές της διαστάσεις. Στην πράξη, μια πηγή φωτός xyz αναπαρίσταται ως ένα επίπεδο εκπομπής με πεπερασμένες διαστάσεις στις κατευθύνσεις x και y και αμελητέο πάχος στην κατεύθυνση z. Αυτό καθιστά δυνατή τη μοντελοποίηση τετράγωνων ή ορθογώνιων πηγών φωτισμού που βρίσκονται οπουδήποτε εντός του πεδίου προσομοίωσης. Οι παράμετροι περιστροφής μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να προσανατολίσουν το επίπεδο εκπομπής σε σχέση με το γύρω οπτικό σύστημα.
Τα οπτικά χαρακτηριστικά εκπομπής της πηγής διαμορφώνονται ξεχωριστά χρησιμοποιώντας την καρτέλα "Ρύθμιση" που εμφανίζεται στην εικόνα ??. Εδώ, οι γωνίες θ και φ καθορίζουν την κατεύθυνση διάδοσης, ενώ οι σχετικές παράμετροι σάρωσης (Δθ, Δφ και ο αριθμός των βημάτων) επιτρέπουν την εκπομπή φωτός σε ένα εύρος γωνιών. Στις προσομοιώσεις ανίχνευσης ακτίνων, αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία κώνων, ανεμιστήρων ή άλλων γωνιακών κατανομών ακτίνων από μια ενιαία πηγή.
Η παράμετρος «Σχήμα Δέσμης» ελέγχει τη χωρική κατανομή των ακτίνων στην επιφάνεια εκπομπής. Οι ρυθμίσεις «Αριθμός δεσμών x» και «Αριθμός δεσμών y» καθορίζουν πόσο πυκνά δειγματοληπτείται η πηγή. Στο παράδειγμα που παρουσιάζεται στο ??, ένα πλέγμα δεσμών 50 × 50 εκπέμπει 2500 ακτίνες από την επιφάνεια της πηγής. Η αύξηση της πυκνότητας των δεσμών βελτιώνει γενικά την ακρίβεια της δειγματοληψίας, αν και αυτό συνεπάγεται επιπλέον υπολογιστικό χρόνο.
Ο συνδυασμός αυθαίρετης τοποθέτησης, γεωμετρίας της πηγής και γωνιακού ελέγχου καθιστά τις πηγές φωτός xyz ιδιαίτερα χρήσιμες στις προσομοιώσεις ανίχνευσης ακτίνων και FDTD. Τυπικές εφαρμογές περιλαμβάνουν τη μοντελοποίηση λέιζερ, LED, οπτικών ινών, οπτικών αγωγών, συστημάτων απεικόνισης και άλλων οπτικών συγκροτημάτων, όπου τόσο η θέση όσο και το μοτίβο εκπομπής της πηγής αποτελούν σημαντικά μέρη του συνολικού σχεδιασμού.
5. Πηγές φωτός FDTD
Σε αντίθεση με τις ρυθμίσεις της οπτικής πηγής φωτός που περιγράφονται στις προηγούμενες ενότητες, οι προσομοιώσεις FDTD απαιτούν επιπλέον παραμέτρους πηγής που ελέγχουν τον τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία εισάγονται στον τομέα της προσομοίωσης. Αυτές οι ρυθμίσεις είναι διαθέσιμες στην ειδική καρτέλα FDTD, όπως φαίνεται στην εικόνα ??.
Οι πηγές φωτός FDTD διαθέτουν ορισμένες ιδιότητες που συνήθως δεν απαιτούνται στις προσομοιώσεις με τη μέθοδο της μήτρας μεταφοράς ή την ακολουθία ακτίνων. Για παράδειγμα, είναι απαραίτητο να καθοριστεί η μέθοδος εισαγωγής της πηγής, ο τύπος του σήματος, το πλάτος, η φάση, ο χρονισμός και η πόλωση του πεδίου. Αυτές οι παράμετροι καθορίζουν τον τρόπο με τον οποίο η πηγή αλληλεπιδρά με το πλέγμα FDTD και τον τρόπο με τον οποίο εισάγεται ηλεκτρομαγνητική ενέργεια στην προσομοίωση.
Επειδή αυτές οι ρυθμίσεις είναι συγκεκριμένες για τη μέθοδο πεπερασμένων διαφορών στον τομέα του χρόνου, αγνοούνται κατά την εκτέλεση προσομοιώσεων με τη μέθοδο της μήτρας μεταφοράς, την ακτινοβόληση ή άλλες οπτικές προσομοιώσεις. Η καρτέλα χρησιμοποιείται μόνο όταν εκτελείται μια προσομοίωση FDTD.
Μια λεπτομερής περιγραφή κάθε παραμέτρου της πηγής FDTD παρέχεται στην ειδική τεκμηρίωση για τις πηγές φωτός FDTD. Για μια πλήρη ανάλυση των μεθόδων εισαγωγής πηγής, των μορφών κύματος, των ρυθμίσεων χρονισμού και των ρυθμίσεων πόλωσης, ανατρέξτε στο Πηγές φωτός FDTD.
6. Συντελεστής Τοπικής Επίγειας Όψης
Ο τοπικός παράγοντας ορατότητας του εδάφους περιγράφει το ποσοστό της γύρω επιφάνειας του εδάφους που είναι ορατό από ένα συγκεκριμένο σημείο της συσκευής. Είναι σημαντικός όταν εξετάζονται οπτικές προσομοιώσεις που περιλαμβάνουν ανακλώμενο ή διασκορπισμένο φως από την επιφάνεια του εδάφους. Με άλλα λόγια, λαμβάνει υπόψη το ποσοστό του διάχυτου πεδίου ακτινοβολίας που προέρχεται από το έδαφος κάτω από τη συσκευή.
Ο παράγοντας ορίζεται ως
\[ F_{\text{ground}} = \sin^2\!\left(\frac{\theta_t}{2}\right) = \frac{1 - \cos(\theta_t)}{2}, \]
όπου \(\theta_t\) είναι η γωνία κλίσης της συσκευής σε σχέση με το οριζόντιο επίπεδο. Μια οριζόντια συσκευή (\(\theta_t = 0\)) δεν βλέπει το έδαφος, δίνοντας \(F_{\text{ground}} = 0\). Μια κάθετη συσκευή (\(\theta_t = 90^\circ\)) έχει έναν παράγοντα ορατότητας του εδάφους 0,5, επειδή το ήμισυ του διάχυτου περιβάλλοντός της είναι το έδαφος και το άλλο ήμισυ είναι ο ουρανός.
Αυτή η παράμετρος μπορεί να ρυθμιστεί στην καρτέλα «Ρυθμίσεις». Χρησιμοποιείται συνήθως σε περιπτώσεις όπου το φως που ανακλάται από το έδαφος (αλβέδο) συμβάλλει σημαντικά στον φωτισμό — για παράδειγμα, σε προσομοιώσεις ηλιακών κυψελών σε εξωτερικούς χώρους, σε φωτοβολταϊκά συστήματα ενσωματωμένα σε κτίρια ή σε συσκευές που εκτίθενται σε επιφάνειες με υψηλή ανακλαστικότητα, όπως το χιόνι ή οι λευκές στέγες.
7. Συμπέρασμα
Το OghmaNano παρέχει ένα ενοποιημένο πλαίσιο πηγών φωτός για προσομοιώσεις που χρησιμοποιούν τη μέθοδο της μήτρας μεταφοράς, την ακτινοβόληση και την FDTD. Οι πηγές φωτός μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον ορισμό αυθαίρετων φασμάτων φωτισμού, τη συνδυασμό πολλαπλών οπτικών πηγών, την εφαρμογή οπτικών φίλτρων και τον έλεγχο της θέσης, του προσανατολισμού και της γωνιακής κατανομής του εισερχόμενου φωτός. Αυτό το κοινό πλαίσιο επιτρέπει την επαναχρησιμοποίηση των ίδιων συνθηκών φωτισμού σε διαφορετικούς οπτικούς επιλυτές, απλοποιώντας την κατασκευή και τη σύγκριση οπτικών προσομοιώσεων.
Για λεπτομέρειες σχετικά με τον συγκεκριμένο επιλυτή, ανατρέξτε στην τεκμηρίωση για τις προσομοιώσεις με τη μέθοδο της μήτρας μεταφοράς, την ακτινοβόληση και την FDTD.