Εκπαιδευτικό πρόγραμμα για την τεχνική ray-tracing (Μέρος Γ): Επίδειξη MicroLens – Μηχανική σχεδίασης σχήματος (Γκαουσιανά και σφαίρες)
Στο Μέρος Β, χρησιμοποιήσαμε το διάφραγμα ως ένα ισχυρό χωρικό/γωνιακό φίλτρο και είδαμε πόσο ευαίσθητη μπορεί να είναι η αποδοχή του ανιχνευτή. Σε αυτό το τελευταίο μέρος, αλλάζουμε τη γεωμετρία των ίδιων των μικροφακών. Ο στόχος δεν είναι να «βελτιστοποιήσουμε» έναν φακό, αλλά να αναπτύξουμε μια διαίσθηση: το σχήμα της επιφάνειας ελέγχει τη γωνιακή κατανομή των ακτίνων που διαφεύγουν και αυτό καθορίζει άμεσα πόσο φως μπορεί να δεχτεί ο ανιχνευτής μέσω ενός πεπερασμένου διαφράγματος.
1. Αλλαγή του σχήματος των φακών
Κάντε δεξί κλικ στο αντικείμενο μικροφακού στην τρισδιάστατη σκηνή και επιλέξτε την επιλογή "Επεξεργαστής πλέγματος" (??). Αυτό θα ανοίξει το παράθυρο του επεξεργαστή πλέγματος μικροφακού (??), όπου μπορείτε να αλλάξετε τη γεωμετρία επιλέγοντας ένα διαφορετικό σχήμα από τη βάση δεδομένων.
Στον επεξεργαστή πλέγματος, αλλάξτε την παράμετρο "Shape from database" από την προεπιλεγμένη τιμή "dome" σε "gauss" και, στη συνέχεια, εκτελέστε ξανά την προσομοίωση. Το αποτέλεσμα θα πρέπει να είναι παρόμοιο με το ??. Παρατηρήστε πώς αλλάζει η δέσμη ακτίνων: το Gaussian προφίλ τείνει να αναδιανέμει τις ακτίνες διαφορετικά και, σε αυτή τη συγκεκριμένη ρύθμιση, θα διαπιστώσετε συχνά ότι λιγότερο φως περνά μέσα από την οπή του ανιχνευτή. Αυτό είναι ένα γεωμετρικό φαινόμενο: ο ανιχνευτής μπορεί να δεχτεί μόνο ακτίνες εντός ενός περιορισμένου παραθύρου θέσης/γωνίας, επομένως οποιαδήποτε αλλαγή αυξάνει την απόκλιση (ή μετατοπίζει τις ακτίνες πλευρικά) μειώνει την αποδοχή.
Στη συνέχεια, πειραματιστείτε με μια πιο ακραία γεωμετρία. Στον επεξεργαστή πλέγματος, αλλάξτε το αντικείμενο μικροφακού σε σφαίρες, επιλέγοντας το εικονίδιο της σφαίρας και επαναδημιουργώντας/επαναλαμβάνοντας την προσομοίωση. Το αποτέλεσμα μπορεί να φανεί στην ??. Σε σύγκριση με μια λεία επιφάνεια φακού, οι σφαιρικές επιφάνειες συμπεριφέρονται περισσότερο σαν ισχυρά στοιχεία καμπυλότητας που εισάγουν ένα ευρύτερο φάσμα γωνιών ακτίνων, γεγονός που μπορεί να αυξήσει σημαντικά την πλευρική διαρροή και τις παρεκκλίνουσες διαδρομές.
Συμβουλή για την εξερεύνηση: Οπτική εξαγωγή με ελεγχόμενο σχήμα.
- Πειραματιστείτε με διαφορετικά σχήματα επιφανειών (π.χ. θόλο, καμπύλη Gauss, σφαίρες) και παρατηρήστε πώς ανακατευθύνουν το φως.
- Αλλάξτε το ύψος του σχήματος για να τροποποιήσετε την τοπική κλίση της επιφάνειας και, κατά συνέπεια, την γωνιακή κατανομή των ακτίνων.
- Οι πιο απότομες ή οι πιο επίπεδες επιφάνειες επηρεάζουν το ποια ακτίνες μπορούν να περάσουν από το άνοιγμα και να φτάσουν στον ανιχνευτή.
- Ως αποτέλεσμα, το ανιχνευόμενο σήμα μπορεί να αλλάξει σημαντικά, ακόμη και όταν η συνολική εκπεμπόμενη ισχύς παραμένει σταθερή.
Βασικό συμπέρασμα: Η γεωμετρία των επιφανειακών χαρακτηριστικών επηρεάζει σημαντικά την εκπομπή και την απορρόφηση του φωτός· μικρές αλλαγές στο σχήμα ή στο ύψος μπορούν να οδηγήσουν σε μεγάλες διαφορές στην ποσότητα του φωτός που φτάνει στον ανιχνευτή.
Ποια είναι τα βασικά συμπεράσματα που μπορούμε να αντλήσουμε από τις κανονικές κατανομές και τις σφαίρες;
Το βασικό συμπέρασμα είναι ότι η «απόδοση εξαγωγής» δεν αφορά μόνο την ποσότητα του φωτός που εκπέμπεται από μια επιφάνεια, αλλά και τον προορισμό του. Σε αυτές τις περιπτώσεις, ο ανιχνευτής δεν είναι ένα άπειρο ημισφαίριο: βρίσκεται πίσω από ένα πεπερασμένο άνοιγμα, επομένως μόνο ένα υποσύνολο των γωνιών των ακτίνων είναι χρήσιμο. Μια επιφάνεια που παράγει μια συμπυκνωμένη δέσμη φωτός, ευθυγραμμισμένη με τον άξονα, μπορεί να φαίνεται «φωτεινή» στον ανιχνευτή, ακόμη και αν η συνολική εκπεμπόμενη ισχύς είναι παρόμοια, επειδή ταιριάζει με την αποδεκτή περιοχή του συστήματος.
Η κανονική κατανομή (Gaussian) τείνει να εξομαλύνει την κατανομή της καμπυλότητας της επιφάνειας σε σύγκριση με ένα απλό θόλο, γεγονός που μπορεί να αλλάξει τις τοπικές γωνίες διάθλασης σε όλη την επιφάνεια. Ανάλογα με τη γεωμετρία σας, αυτό μπορεί να αυξήσει την απόκλιση, να μετακινήσει την καυστική ή να αλλάξει το σημείο όπου οι ακτίνες τέμνουν το επίπεδο του διαφράγματος. Το συνολικό αποτέλεσμα είναι συχνά μια μείωση της αποδεκτής ισχύος: υπάρχουν περισσότερες ακτίνες, αλλά λιγότερες εμπίπτουν στο μικρό παράθυρο φασικού χώρου που μπορεί να συλλέξει ο ανιχνευτής. Με άλλα λόγια, έχετε αλλάξει την αντιστοίχιση της etendue μεταξύ της πηγής, του μικροφακού και του ανιχνευτή.
Η θήκη με τις σφαίρες (μπάλες) είναι σκόπιμα «μη οπτική» με την κλασική έννοια: εισάγει έντονη καμπυλότητα και πολλαπλές ευκαιρίες για την εκπομπή ακτίνων σε μεγάλες γωνίες. Αυτό τείνει να δημιουργεί περισσότερες διαδρομές παρεκκλίνουσας ακτινοβολίας και πλευρική διαρροή, η οποία είναι ακριβώς το είδος της συμπεριφοράς που οι πραγματικοί σχεδιαστές οπτικών συστημάτων προσπαθούν να καταστείλουν με ομαλές επιφάνειες, προσεκτική τοποθέτηση διαφραγμάτων και αντανακλαστικές πλάκες. Αποτελεί μια χρήσιμη δοκιμή αντοχής: εάν το σήμα του ανιχνευτή σας εξασθενεί όταν εισάγετε σφαιρικά στοιχεία, αυτό σας υποδεικνύει ότι το σύστημα έχει περιορισμένη αποδοχή και είναι ιδιαίτερα ευαίσθητο στην γωνιακή διασπορά.
Στην πράξη, αυτό εξηγεί επίσης γιατί οι μικροφακοί σε συστήματα απεικόνισης σχεδιάζονται για τη συγκεκριμένη διάταξη αισθητήρων και τη γεωμετρία του διαφράγματος: δεν σχεδιάζετε «έναν φακό», αλλά έναν γωνιακό μετασχηματιστή που αντιστοιχεί μια κατανομή πηγής στην περιοχή αποδοχής της επόμενης οπτικής μονάδας. Ο σκοπός αυτής της επίδειξης είναι ότι το OghmaNano σας επιτρέπει να εξερευνήσετε αυτήν την αντιστοιχία οπτικά, πριν δεσμευτείτε σε οποιεσδήποτε μετρήσεις ή διαδικασία βελτιστοποίησης.
✅ Ολοκληρώσατε: Έχετε πλέον κλείσει το διάφραγμα, σαρώσει τη θέση της πηγής και τη γωνία εκπομπής και τροποποιήσει το σχήμα της επιφάνειας για να δείτε πώς αλλάζουν η αποδοχή και η διάχυτη ακτινοβολία.
👉 Next steps:
Για μια επισκόπηση των οπτικών συστημάτων και των προσομοιώσεων ανίχνευσης ακτίνων, δείτε το Επισκόπηση οπτικών συστημάτων και ανίχνευσης ακτίνων.