Σπίτι Παραδείγματα Στιγμιότυπα οθόνης Εγχειρίδιο χρήστη Λογότυπο της Bluesky YouTube ☰
OghmaNano Πλατφόρμα προσομοίωσης πολλαπλών φυσικών πεδίων για οπτοηλεκτρονικές συσκευές και φωτονικά συστήματα. Λήψη Οδηγός γρήγορης εκκίνησης

Εκπαιδευτικό πρόγραμμα για την τεχνική Ray-tracing (Μέρος Α): Αντανάκλαση από μια τραχιά επιφάνεια.

Σε αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα, θα χρησιμοποιήσετε τον αλγόριθμο ανίχνευσης ακτίνων (ray tracer) της OghmaNano για να μελετήσετε πώς το φως ανακλάται από μια τραχιά επιφάνεια. Η τραχύτητα μπορεί να αντιπροσωπεύει μια εικόνα από μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (AFM) ή οποιαδήποτε άλλη επιφάνεια που έχει μετρηθεί πειραματικά. Θα φορτώσετε το παράδειγμα "Ανάκλαση από λεπτή μεμβράνη", θα εκτελέσετε μια προσομοίωση ανίχνευσης ακτίνων και θα εξετάσετε πόσο αποτελεσματικά το φως συλλέγεται από έναν ανιχνευτή που βρίσκεται πάνω από την μεμβράνη.

Βήμα 1: Ανοίξτε τα παραδείγματα ray tracing.

Εκκινήστε το OghmaNano από το μενού Έναρξη των Windows. Από το αρχικό παράθυρο, κάντε κλικ στην επιλογή Νέα προσομοίωση. Αυτό θα ανοίξει τη βιβλιοθήκη τύπων συσκευών. Εντοπίστε και κάντε διπλό κλικ στην κατηγορία "Ray tracing", όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Αυτό θα ανοίξει τον φάκελο με τις επιδείξεις ray tracing (??).

OghmaNano new simulation window with the Ray tracing category highlighted.
Το νέο παράθυρο προσομοίωσης. Κάντε διπλό κλικ στην κατηγορία "Ray tracing" για να ανοίξετε τα παραδείγματα έργων ray tracing.
List of ray-tracing demos including light box, microlens, prism demo, and Reflection from film.
Η βιβλιοθήκη επίδειξης ακτινικής ανίχνευσης. Επιλέξτε την επιλογή "Αντανάκλαση από μεμβράνη" (επισημαίνεται) για να φορτώσετε το παράδειγμα όπου το φως ανακλάται από μια τραχιά μεμβράνη που προέρχεται από μια εικόνα AFM.

Όταν σας ζητηθεί, επιλέξτε έναν φάκελο όπου θα αποθηκευτεί η προσομοίωση. Όπως και με όλες τις προσομοιώσεις OghmaNano, είναι καλύτερο να χρησιμοποιείτε έναν τοπικό φάκελο (για παράδειγμα, στον C:\) και όχι έναν δικτυακό ή αποθηκευτικό χώρο στο cloud. Μπορείτε να μάθετε περισσότερα σχετικά με την ταχύτητα της προσομοίωσης εδώ.

Βήμα 2: Ελέγξτε την ταινία και τον ανιχνευτή.

Αφού επιλέξετε την επιλογή "Reflection" (Αντανάκλαση) από την ταινία, ανοίγει το κύριο παράθυρο του "Optical Workbench" και εμφανίζει την τρισδιάστατη σκηνή (??). Η κόκκινη επιφάνεια αντιπροσωπεύει την τραχιά επιφάνεια της ταινίας (για παράδειγμα, έναν χάρτη ύψους AFM), τα πράσινα βέλη είναι οι πηγές φωτός και το μωβ πλέγμα πάνω από την ταινία είναι ο οπτικός ανιχνευτής – εννοιολογικά παρόμοιος με μια κάμερα CCD.

Μπορείτε να περιηγηθείτε στην τρισδιάστατη προβολή χρησιμοποιώντας το ποντίκι:

Overall view of the rough film, light sources, and detector grid in the Optical Workbench.
Αρχική προβολή της αντανάκλασης από την επίδειξη της ταινίας. Η τραχιά κόκκινη επιφάνεια είναι η ταινία, το μωβ πλέγμα είναι το επίπεδο του ανιχνευτή και τα πράσινα βέλη υποδεικνύουν τις θέσεις και τις κατευθύνσεις των πηγών φωτός.
Zoomed-in view of the light sources just above the rough film.
Εστιασμένη εικόνα των πηγών φωτός. Περιστρέφοντας και κάνοντας ζουμ στην κάμερα, μπορείτε να εξετάσετε προσεκτικά πώς είναι τοποθετημένες οι πηγές φωτός σε σχέση με την ακατέργαστη ταινία.

Βήμα 3: Εκτελέστε την προσομοίωση ακτινικής ανίχνευσης.

Για να ξεκινήσετε την προσομοίωση, κάντε κλικ στο Εκτέλεση προσομοίωσης. το κουμπί (μπλε εικονίδιο αναπαραγωγής) στη γραμμή εργαλείων ή πατήστε F9Το OghmaNano θα παρακολουθεί πολλές ακτίνες που εκπέμπονται από τις πηγές, ανακλώντας και διαθλώνοντάς τις σύμφωνα με την τοπική κάθετη διεύθυνση της επιφάνειας της μεμβράνης. Καθώς εκτελείται η προσομοίωση, η κύρια προβολή θα ενημερώνεται για να εμφανίζει τις διαδρομές των ακτίνων.??).

Rays traced from the sources towards the rough film and detector plane.
Παράδειγμα του αποτελέσματος της ακτινογραφικής προσομοίωσης για την τραχιά μεμβράνη. Οι ακτίνες εκπορεύονται από την πράσινη περιοχή της πηγής, αλληλεπιδρούν με την τραχιά κόκκινη επιφάνεια και απορροφώνται εν μέρει από το μωβ πλέγμα ανιχνευτών που βρίσκεται πάνω από την μεμβράνη.

Βήμα 4: Εξερευνήστε διαφορετικά μήκη κύματος.

Το στοιχείο «Μήκη κύματος» στην κορδέλα «Οπτικά» σάς επιτρέπει να επιλέξετε ποιο μήκος κύματος εμφανίζεται στην τρισδιάστατη προβολή. Επιλέξτε ένα μήκος κύματος από το αναπτυσσόμενο μενού, όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Αυτό δεν εκτελεί ξανά την προσομοίωση – ολόκληρο το φάσμα έχει υπολογιστεί εκ των προτέρων – αλλά ελέγχει ποιο υποσύνολο ακτίνων εμφανίζεται.

Optical ribbon with the wavelength selection widget highlighted.
Επιλογή μήκους κύματος στην οπτική ταινία. Χρησιμοποιήστε αυτό το αναπτυσσόμενο μενού για να δείτε πώς οι ακτίνες διαφορετικών μηκών κύματος διαδίδονται και ανακλώνται από την τραχιά επιφάνεια της ταινίας.

Δοκιμάστε μερικά διαφορετικά μήκη κύματος και παρατηρήστε πώς αλλάζει η πυκνότητα της ακτίνας στον ανιχνευτή. Στα επόμενα μέρη του εκπαιδευτικού προγράμματος, θα δείτε πώς αυτό σχετίζεται με την συμβολή, τη διασπορά και την απορρόφηση στην μεμβράνη.

Βήμα 5: Ελέγξτε την έξοδο του ανιχνευτή.

Όταν ολοκληρωθεί η διαδικασία ιχνηλάτησης ακτίνων, μεταβείτε στην καρτέλα "Έξοδος" για να δείτε τα αρχεία που έχουν αποθηκευτεί στον δίσκο (??). Θα δείτε μια σειρά αρχείων που περιγράφουν τις ακτίνες και τις αποκρίσεις του ανιχνευτή. Το πιο σχετικό για αυτό το σεμινάριο είναι ο κατάλογος "detector0", ο οποίος περιέχει τα δεδομένα που καταγράφηκαν από την μωβ επιφάνεια ανιχνευτή.

Output tab showing files such as detector0, rays.csv, and other ray-tracing outputs.
Η καρτέλα "Έξοδος" για την επίδειξη "Ανάκλαση από ταινία". Ο φάκελος detector0 περιέχει την απόκριση του επιπέδου ανίχνευσης· άλλα αρχεία περιγράφουν τις μεμονωμένες ακτίνες και τις γωνιακές κατανομές.

Κάντε διπλό κλικ στον φάκελο detector0 και, στη συνέχεια, ανοίξτε το αρχείο detector_efficiency0.csv. Αυτό το αρχείο αποθηκεύει το ποσοστό της φωτεινής ενέργειας που φτάνει στον ανιχνευτή ως συνάρτηση του μήκους κύματος. Όταν το ανοίξετε, το εργαλείο γραφικών του OghmaNano θα εμφανίσει ένα φάσμα παρόμοιο με το ??.

Detector efficiency versus wavelength plotted from detector_efficiency0.csv.
Παράδειγμα φάσματος απόδοσης του ανιχνευτή, που προέρχεται από το detector_efficiency0.csv. Ο κατακόρυφος άξονας δείχνει το κλάσμα του φωτός που φτάνει στον ανιχνευτή. Όταν μια ακτίνα εκπέμπεται από την πηγή, έχει ένταση 1· η εξασθένηση και η σκέδαση από την τραχιά επιφάνεια μειώνουν αυτή την τιμή πριν φτάσει στον ανιχνευτή. Σε αυτό το παράδειγμα, σχεδόν καθόλου φως δεν ανιχνεύεται σε μεγάλα μήκη κύματος, ενώ τα μικρότερα μήκη κύματος ανιχνεύονται πιο αποτελεσματικά. (Η ετικέτα του άξονα εμφανίζει προς το παρόν μέτρα, αλλά ο οριζόντιος άξονας θα πρέπει να ερμηνεύεται ως μήκος κύματος σε νανόμετρα).

Συγκρίνοντας την καμπύλη απόδοσης του ανιχνευτή με τις απεικονιζόμενες ακτίνες σε διαφορετικά μήκη κύματος, μπορείτε να αποκτήσετε μια καλύτερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η τραχύτητα της επιφάνειας, η σκέδαση και η γωνιακή κατανομή επηρεάζουν το ανιχνευόμενο σήμα.

Τα αρχεία εξόδου από την προσομοίωσή σας.

Κάθε προσομοίωση ακτινικής ανίχνευσης δημιουργεί μια συλλογή αρχείων που περιγράφουν τη γεωμετρία, τις μεμονωμένες ακτίνες και την απόκριση οποιωνδήποτε ανιχνευτών. Τα περισσότερα από αυτά είναι απλά αρχεία .csv που μπορούν να ανοιχτούν στους ενσωματωμένους προβολείς του OghmaNano ή να αναλυθούν σε εξωτερικά εργαλεία, όπως η Python, η Matlab ή το Excel. Οι βασικές έξοδοι για την επίδειξη «Αντανάκλαση από μεμβράνη» συνοψίζονται στον Πίνακα 1.

Table 1: Selected files produced by the ray-tracing simulation
Αρχείο ή φάκελος Περιγραφή
rays.csvΛίστα με τις ακτίνες που έχουν εντοπιστεί (θέσεις, κατευθύνσεις, μήκη κύματος και εντάσεις).
ιχνηλάτηση ακτίνων/Πρόσθετες διαγνωστικές λειτουργίες και στατιστικά στοιχεία για την ακτινογραφική ανάλυση.
detector0/detector_efficiency0.csvΑπόδοση του ανιχνευτή σε σχέση με το μήκος κύματος (βλ. ??).
detector0/detector_input0.csvΣυνολική φωτεινή ροή που προσπίπτει στην επιφάνεια του ανιχνευτή σε σχέση με το μήκος κύματος.
RAY_image.csvΕικόνα που απεικονίζει τις ακτίνες στην επιφάνεια του ανιχνευτή.
συσκευή.csvΓεωμετρική περιγραφή των τραχιών επιφανειών της λεπτής μεμβράνης και του ανιχνευτή.

👉 Επόμενο βήμα: Συνεχίστε στο Μέρος Β για να μάθετε πώς να τροποποιήσετε την τραχιά επιφάνεια, να ρυθμίσετε τις πηγές φωτός και να εκτελέσετε παραμετρικές αναλύσεις. Για μια επισκόπηση των οπτικών συστημάτων και των προσομοιώσεων ανίχνευσης ακτίνων, δείτε το Επισκόπηση οπτικών συστημάτων και ανίχνευσης ακτίνων.