Απόδραση από την Κινηματογραφική Εικόνα (Μέρος Α): Απόδοση ακτίνων φωτός από μια τραχιά επιφάνεια.

Το παράδειγμα του "Escape from film" δημιουργεί ένα μοντέλο για την προσομοίωση της εκπομπής φωτός μέσα σε μια τραχιά ημιαγώγιμη μεμβράνη και υπολογίζει πόσο από αυτό το φως διαφεύγει από την άνω επιφάνεια. Αυτό είναι σημαντικό για πολλά συστήματα, όπως οι OLED, οι LED και άλλες δομές που εκπέμπουν φως, όπου η εξωτερική εκπομπή περιορίζεται από την ολική εσωτερική ανάκλαση και την τραχύτητα της επιφάνειας.

Βήμα 1: Δημιουργήστε μια νέα προσομοίωση ακτινικής ανίχνευσης.

Ξεκινήστε το OghmaNano και κάντε κλικ στην επιλογή "Νέα προσομοίωση". Θα εμφανιστεί το παράθυρο "Νέα προσομοίωση", όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Κάντε διπλό κλικ στην επιλογή "Ray tracing", η οποία είναι επισημασμένη στην εικόνα ??.

Βήμα 2: Ελέγξτε την αρχική δομή.

Αφού ανοίξετε το παράδειγμα, το κύριο παράθυρο του OghmaNano εμφανίζει τη δομή της συσκευής, όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Η σκηνή περιέχει:

• Μια τραχιά ημιαγωγική στρώση (κόκκινη) στην κορυφή.
• Μια ομαλή στρώση οξειδίου (γκρι) και
• Μια μωβ πλέγμα βρίσκεται πάνω από τη συσκευή. Αυτό το πλέγμα είναι ένας οπτικός ανιχνευτής· κάθε ακτίνα που περνά μέσα από αυτό καταγράφεται στα αρχεία εξόδου του ανιχνευτή.

Χρησιμοποιήστε το αριστερό κουμπί του ποντικιού για να περιστρέψετε και τον τροχό του ποντικιού για να κάνετε ζουμ, μέχρι να αποκτήσετε την προβολή που φαίνεται στην εικόνα ??.

Βήμα 3: Αποκαλύψτε τις ενσωματωμένες πηγές φωτός.

Από προεπιλογή, ο ημιαγωγός και το οξείδιο απεικονίζονται ως συμπαγή αντικείμενα. Για να δείτε πού βρίσκονται οι πηγές φωτός:

1. Κάντε δεξί κλικ στο αντικείμενο "Ημιαγωγός".
2. Από το αναπτυσσόμενο μενού, επιλέξτε "Προβολή" → "Εμφάνιση συμπαγούς" και αποεπιλέξτε το.
3. Επαναλάβετε τη διαδικασία για το αντικείμενο "Οξείδιο".

Η διαδρομή του μενού απεικονίζεται στην εικόνα ??. Αφού απενεργοποιήσετε και τα δύο αντικείμενα, θα πρέπει να δείτε ένα σύννεφο από μικρά βέλη μέσα στην εικόνα, όπως στην εικόνα ??. Αυτά τα βέλη είναι οι πηγές φωτός για την τεχνική ray tracing.

Κάθε βέλος αντιπροσωπεύει μια ομάδα ακτίνων που εκπέμπονται από αυτό το σημείο. Κάνοντας δεξί κλικ στο αντικείμενο της πηγής φωτός, μπορείτε αργότερα να προσαρμόσετε τον αριθμό των ακτίνων, τη γωνία εκπομπής και το μέγεθος ΧΥ της πηγής. Θα επιστρέψουμε σε αυτό στο Μέρος Β.

Βήμα 4: Εκτελέστε την προσομοίωση ακτινικής ανίχνευσης.

Κάντε κλικ στο "Εκτέλεση προσομοίωσης" (μπλε εικονίδιο αναπαραγωγής) για να ξεκινήσετε τον αλγόριθμο ιχνηλάτησης ακτίνων. Μετά από λίγο, το παράθυρο γεμίζει με ακτίνες, όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Οι ακτίνες διασκορπίζονται μέσα στον τραχύ ημιαγωγό και είτε φτάνουν στον ανιχνευτή είτε χάνονται στο υπόστρωμα.

Για να εξετάσετε πώς οι διαδρομές των ακτίνων εξαρτώνται από το μήκος κύματος, μεταβείτε στην καρτέλα "Οπτικά". Χρησιμοποιήστε το αναπτυσσόμενο μενού "Μήκη Κυμάτων" για να επιλέξετε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος, όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Η τρισδιάστατη προβολή θα ενημερωθεί ώστε να εμφανίζει μόνο τις ακτίνες στο επιλεγμένο μήκος κύματος.

Βήμα 5: Ελέγξτε την έξοδο του ανιχνευτή.

Μόλις ολοκληρωθεί η προσομοίωση, ανοίξτε την καρτέλα "Έξοδος" για να δείτε όλα τα αρχεία που δημιουργήθηκαν από τον αλγόριθμο ιχνηλάτησης ακτίνων, όπως φαίνεται στην ??. Η επιφάνεια ανίχνευσης στο πάνω μέρος της δομής έχει την ονομασία 0, επομένως τα αποτελέσματά της αποθηκεύονται στο detector0.

Κάντε διπλό κλικ στο detector0 για να ανοίξετε την προβολή του ανιχνευτή (??). Αυτό το διάγραμμα δείχνει πόσο φως διαχέεται μέσω του ανιχνευτή ως συνάρτηση της γωνίας και, εάν προσομοιώθηκαν πολλαπλά μήκη κύματος, ως συνάρτηση του μήκους κύματος.

Απόδοση του ανιχνευτή και παραγόμενες εικόνες.

Η έξοδος του ανιχνευτή που εμφανίζεται στην εικόνα ?? λαμβάνεται κάνοντας διπλό κλικ στο αρχείο detector_efficiency0.csv στην καρτέλα "Έξοδος". Αυτό το γράφημα δείχνει το κλάσμα του εσωτερικά παραγόμενου φωτός που φτάνει στον ανιχνευτή ως συνάρτηση του μήκους κύματος – ουσιαστικά, την απόδοση εξαγωγής φωτός. Σε αυτό το παράδειγμα, σχεδόν καθόλου φως δεν εκπέμπεται σε μήκη κύματος κάτω από περίπου 600 nm, ενώ σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, η απόδοση εξαγωγής φωτός αυξάνεται περίπου στο 12%.

Μια τιμή της τάξης του 10–15 % είναι απολύτως εύλογη για μια λεπτή μεμβράνη με υψηλό δείκτη διάθλασης στο αέρα. Για μια απλή εκτίμηση, εξετάστε μια επίπεδη διεπαφή ημιαγωγού/αέρα με δείκτες διάθλασης \(n_{\text{film}}\) και \(n_{\text{air}}\). Η ανακλαστικότητα Fresnel για κάθετη πρόσπτωση είναι:

\( R = \left(\dfrac{n_{\text{film}} - n_{\text{air}}}{n_{\text{film}} + n_{\text{air}}}\right)^2. \)

Λαμβάνοντας έναν τυπικό δείκτη διάθλασης ημιαγωγού ή οξειδίου \(n_{\text{film}} \approx 1.8\) και \(n_{\text{air}} = 1.0\), λαμβάνουμε \( R \approx 0.08 \) (περίπου 8% ανάκλαση σε κάθετη γωνία πρόσπτωσης), επομένως η διαπερατότητα είναι \(1-R \approx 0.92\). Ωστόσο, το φως που παράγεται στο εσωτερικό της μεμβράνης μπορεί να διαφύγει μόνο εντός της κωνικής περιοχής που ορίζεται από την κρίσιμη γωνία \( \theta_c = \arcsin\!\bigl(n_{\text{air}}/n_{\text{film}}\bigr) \approx 34^\circ \). Για ισοτροπική εκπομπή στο εσωτερικό της μεμβράνης, το κλάσμα της ισχύος που εμπίπτει σε αυτήν την κωνική περιοχή είναι

\( f_{\text{cone}} = 1 - \cos\theta_c \approx 1 - \cos(34^\circ) \approx 0.17. \)

Ο πολλαπλασιασμός των παραγόντων μετάδοσης και του κώνου διαφυγής δίνει μια κατά προσέγγιση εκτίμηση της εξόδου.

\( \eta_{\text{out}} \approx (1-R)\,f_{\text{cone}} \approx 0.92 \times 0.17 \approx 0.16 \; (16\%). \)

Όταν ληφθούν υπόψη οι πρόσθετες απώλειες και η διασπορά, μια απόδοση εξαγωγής φωτός περίπου 12%, όπως παρατηρείται στην detector_efficiency0.csv, είναι επομένως αρκετά λογική για αυτόν τον τύπο δομής.

Εάν κάνετε διπλό κλικ στο RAY_image.csv στον ίδιο φάκελο, το OghmaNano ανοίγει μια απεικονισμένη εικόνα του πώς θα έβλεπε το μάτι σας την ταινία, η οποία εμφανίζεται στο ??. Αυτό υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον χρωματικό χώρο CIE του 1931: το σήμα του ανιχνευτή, το οποίο εξαρτάται από το μήκος κύματος, μετατρέπεται σε τιμές τρισδιέγερσης CIE XYZ χρησιμοποιώντας τις τυπικές συναρτήσεις αντιστοίχισης χρωμάτων και στη συνέχεια αντιστοιχίζεται σε μια εικόνα sRGB που προσεγγίζει την ανθρώπινη οπτική αντίληψη. Για περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με αυτό το χρωματικό μοντέλο, δείτε για παράδειγμα το Χρωματικός χώρος CIE 1931.