Εκπαιδευτικό πρόγραμμα για την τεχνική Ray-tracing (Μέρος Β): Επίδειξη MicroLens – Φιλτράρισμα διαφράγματος και σάρωση πηγής.

Στο Μέρος Α, φορτώσατε την επίδειξη MicroLens και εκτελέσατε μια βασική προσομοίωση ακτινικής ανίχνευσης. Σε αυτό το μέρος, κλείνουμε σκόπιμα το διάφραγμα, έτσι ώστε μόνο μια στενή δέσμη ακτίνων να μπορεί να φτάσει στον ανιχνευτή. Αυτό μετατρέπει το σύστημα σε ένα ισχυρό χωρικό/γωνιακό φίλτρο: οι περισσότερες ακτίνες απορρίπτονται και γίνονται δεκτές μόνο οι ακτίνες που είναι κοντά στον άξονα.

1. Κλείστε το διάφραγμα (μειώστε το d0).

Στην τρισδιάστατη προβολή, κάντε δεξί κλικ στο διάφραγμα (την μπλε πλάκα με την οπή) και ανοίξτε τον επεξεργαστή πλέγματος, όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Αυτό ανοίγει το παράθυρο επεξεργασίας του διαφράγματος (??), όπου μπορείτε να ελέγξετε το μέγεθος της οπής. Ορίστε την τιμή D0 σε 0.005 m. Αυτό ουσιαστικά κλείνει το διάφραγμα, περιορίζοντας σημαντικά τις ακτίνες που μπορούν να περάσουν στον ανιχνευτή. Από αυτή την άποψη, το διάφραγμα παίζει ρόλο παρόμοιο με αυτό της μικρής οπής σε ένα σύστημα οπτικής μικροσκοπίας ή με τους διαφράγματα πεδίου που χρησιμοποιούνται σε άλλα οπτικά όργανα: γίνονται δεκτές μόνο οι ακτίνες που προέρχονται από ένα στενό εύρος θέσεων και γωνιών, ενώ η εκτός άξονα και η παρεκκλίνουσα ακτινοβολία απορρίπτονται.

Επαναλάβετε την προσομοίωση.F9). Τώρα θα παρατηρήσετε ότι οι περισσότερες ακτίνες απορρίπτονται: μόνο ένα μικρό μέρος του φωτός περνά από το διάφραγμα και φτάνει στην επιφάνεια ανίχνευσης (ιώδες πλέγμα), όπως φαίνεται στην εικόνα. ??Εννοιολογικά, το διάφραγμα επιλέγει τις ακτίνες με βάση πού από πού προέρχονται και τι γωνία; ταξιδεύουν με: οι ακτίνες που φτάνουν σε πολύ μεγάλη γωνία εκτός άξονα (ή προέρχονται από την «λανθασμένη» περιοχή της μικροφακούς) μπλοκάρονται.

2. Σαρώνετε τη θέση προέλευσης και παρατηρήστε την αποδοχή.

Προσανατολίστε την κάμερα έτσι ώστε να μπορείτε να δείτε καθαρά την περιοχή της πηγής και τους μικροφακούς, όπως στην εικόνα ??. Χρησιμοποιώντας το ποντίκι, μετακινήστε την οπτική πηγή πλευρικά στην οθόνη της προσομοίωσης και προσπαθήστε να βρείτε το σημείο στο οποίο οι ακτίνες δεν φτάνουν πλέον στον ανιχνευτή. Όταν το διάφραγμα είναι σχεδόν κλειστό, θα υπάρχει ένα εύρος θέσεων της πηγής για τις οποίες οι ακτίνες μπορούν ακόμα να περάσουν από την οπή και να φτάσουν στον ανιχνευτή, και πέρα από μια ορισμένη απόκλιση, ο ανιχνευτής θα λαμβάνει ουσιαστικά καθόλου φως.

Για να προσδιορίσετε ποσοτικά την ποσότητα του φωτός που φτάνει στον ανιχνευτή, μεταβείτε στην καρτέλα "Έξοδος", ανοίξτε το detector0 και, στη συνέχεια, ανοίξτε το detector_efficiency0.csv. Αυτό το αρχείο απεικονίζει τη σχέση μεταξύ του μήκους κύματος και του κλάσματος του εκπεμπόμενου φωτός που γίνεται αποδεκτό από τον ανιχνευτή. Οι ανιχνευτές και οι έξοδοί τους εξετάζονται με περισσότερες λεπτομέρειες σε άλλα εκπαιδευτικά προγράμματα· εδώ, χρησιμοποιούμε το φάσμα απόδοσης ως μια συνοπτική μέτρηση της οπτικής αποδοχής.

Οπτική διήθηση τύπου κονφοκαλικού μικροσκοπίου (αναλογία με την οπή)

Ένα οπτικό μικροσκόπιο σύγκλισης βελτιώνει την αντίθεση της εικόνας χρησιμοποιώντας μια μικρή οπή, τοποθετημένη έτσι ώστε το φως από την εστιακή περιοχή να μεταδίδεται προτιμησιακά, ενώ το φως που είναι εκτός εστίασης και εκτός άξονα απορρίπτεται. Αυτό συνήθως περιγράφεται ως διατομική απεικόνιση βάθους (αξονική), αλλά η ίδια αρχή ισχύει και οριζόντια: ένα άνοιγμα μπορεί να λειτουργήσει ως χωρικό φίλτρο που επιτρέπει μόνο το φως από μια περιορισμένη περιοχή και ένα συγκεκριμένο εύρος γωνιών.

Σε αυτή την επίδειξη του MicroLens, το διάφραγμα παίζει παρόμοιο ρόλο με την οπτική οπή σε ένα σύστημα confocal: επιβάλλει μια αυστηρή συνθήκη αποδοχής. Όταν σαρώνετε την πηγή πλευρικά, ουσιαστικά μετράτε μια πλευρική συνάρτηση αποδοχής του οπτικού συστήματος. Το κλείσιμο του διαφράγματος μειώνει το φόντο και τις παρεκκλίνουσες ακτίνες, αλλά ταυτόχρονα καθιστά το σήμα του ανιχνευτή ιδιαίτερα ευαίσθητο στη θέση της πηγής και στη γωνία εκπομπής.

3. Εκπέμπει φως σε ένα ευρύτερο εύρος γωνιών.

Στη συνέχεια, θα ρυθμίσουμε την πηγή ώστε να εκπέμπει φως σε ένα ευρύτερο φάσμα κατευθύνσεων. Κάντε δεξί κλικ στην πηγή φωτός για να ανοίξετε τον επεξεργαστή πηγής (??). Αυξήστε την γωνιακή έκταση Phi, έτσι ώστε το φως να εκπέμπεται από -90 έως +90 μοίρες, χρησιμοποιώντας 20 βήματα. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα την εκπομπή ακτίνων σε πολλές περισσότερες κατευθύνσεις.

Επαναλάβετε την προσομοίωση. Θα πρέπει να δείτε πολύ περισσότερες ακτίνες, συμπεριλαμβανομένων ακτίνων που διαφεύγουν πλευρικά, καθώς και ακτίνων που διαφεύγουν προς τα πάνω μέσω του διαφράγματος, όπως φαίνεται στην ??. Εάν εξετάσετε ξανά την detector0/detector_efficiency0.csv, η αποδοχή του ανιχνευτή θα είναι συνήθως πολύ χαμηλή: το μεγαλύτερο μέρος του εκπεμπόμενου φωτός δεν πληροί τις γεωμετρικές προϋποθέσεις που απαιτούνται για να περάσει από το διάφραγμα και να φτάσει στον ανιχνευτή.

Γιατί η αποτελεσματική συλλογή φωτός είναι δύσκολη.

Αυτή η συμπεριφορά αντανακλά μια γενική δυσκολία στα οπτικά συστήματα: μόλις εισαγάγετε διαφράγματα, αντιθαμβωτικές πλάκες, πεπερασμένα μεγέθη ανιχνευτών ή περιορισμένη αριθμητική διαφραγματική γωνία, επιβάλλετε μια αυστηρή συνθήκη αποδοχής στη θέση και τη γωνία. Το φως που εκπέμπεται σε μια ευρεία γωνιακή κατανομή (για παράδειγμα, από διασπορά, διάχυτες πηγές, φθορισμό ή τραχιές επιφάνειες) είναι εγγενώς δύσκολο να συλλεχθεί αποτελεσματικά χωρίς είτε (i) ένα οπτικό σύστημα συλλογής με υψηλή αριθμητική διαφραγματική γωνία, (ii) έναν ανιχνευτή που ταιριάζει με την ετεντύ, είτε (iii) αποδοχή περισσότερου φωτός περιβάλλοντος και παρεκκλίσεων.

Πρακτικά παραδείγματα περιλαμβάνουν συστήματα απεικόνισης που καταπολεμούν τις αντανακλάσεις και τη διάχυτη λάμψη (όπου το περιπλανώμενο φως μειώνει την αντίθεση), μικροσκοπικά συστήματα που θυσιάζουν την ένταση του σήματος για οπτική τομογραφία (η οπτική διάφραγμα του κονφοκαλικού μικροσκοπίου απορρίπτει το φόντο, αλλά απορρίπτει και το σήμα) και αισθητήρες που βρίσκονται πίσω από παράθυρα ή περιβλήματα, όπου οι εσωτερικές ανακλάσεις δημιουργούν ψευδείς διαδρομές. Η επίδειξη του MicroLens καθιστά αυτές τις αμοιβαίες σχέσεις ορατές: κλείστε το διάφραγμα και θα μειώσετε το φόντο, αλλά ταυτόχρονα θα κάνετε το σύστημα πολύ λιγότερο ανεκτικό στη θέση της πηγής και στη γωνία εκπομπής.