Tutorial sul ray tracing (parte B): dimostrazione di MicroLens – filtraggio dell’apertura e scansione della sorgente.Tutorial sul ray tracing (parte B): dimostrazione di MicroLens – filtraggio dell’apertura e scansione della sorgente.

Nella Parte A, è stato caricato il programma di esempio MicroLens ed è stata eseguita una simulazione di ray tracing di base. In questa parte, ridurremo intenzionalmente l’apertura in modo che solo un fascio stretto di raggi possa raggiungere il rilevatore. In questo modo, il sistema si trasformerà in un filtro spaziale/angolare molto efficace: la maggior parte dei raggi verrà scartata e saranno accettati solo i raggi che colpiscono quasi l’asse ottico.Nella Parte A, è stato caricato il programma di esempio MicroLens ed è stata eseguita una simulazione di ray tracing di base. In questa parte, ridurremo intenzionalmente l’apertura in modo che solo un fascio stretto di raggi possa raggiungere il rilevatore. In questo modo, il sistema si trasformerà in un filtro spaziale/angolare molto efficace: la maggior parte dei raggi verrà scartata e saranno accettati solo i raggi che colpiscono quasi l’asse ottico.

1. Chiudere l’apertura (ridurre d0).1. Chiudere l’apertura (ridurre d0).

Nella visualizzazione 3D, fare clic con il pulsante destro del mouse sull’apertura (la piastra blu con un foro) e aprire l’editor della mesh come mostrato in ??. Questo aprirà la finestra dell’editor dell’apertura (??), dove sarà possibile controllare le dimensioni del foro. Impostare D0 su 0.005 m. In questo modo, l’apertura si chiuderà, limitando notevolmente quali raggi potranno raggiungere il rivelatore. A questo proposito, l’apertura svolge una funzione simile a quella del foro in un microscopio confocale o alle diaframmi utilizzati in altri strumenti ottici: solo i raggi provenienti da un intervallo ristretto di posizioni e angoli vengono accettati, mentre la luce proveniente da direzioni diverse o diffusa viene bloccata.Nella visualizzazione 3D, fare clic con il pulsante destro del mouse sull’apertura (la piastra blu con un foro) e aprire l’editor della mesh come mostrato in ??. Questo aprirà la finestra dell’editor dell’apertura (??), dove sarà possibile controllare le dimensioni del foro. Impostare D0 su 0.005 m. In questo modo, l’apertura si chiuderà, limitando notevolmente quali raggi potranno raggiungere il rivelatore. A questo proposito, l’apertura svolge una funzione simile a quella del foro in un microscopio confocale o alle diaframmi utilizzati in altri strumenti ottici: solo i raggi provenienti da un intervallo ristretto di posizioni e angoli vengono accettati, mentre la luce proveniente da direzioni diverse o diffusa viene bloccata.

Esegui nuovamente la simulazione.F9). A questo punto, si dovrebbe notare che la maggior parte dei raggi viene deviata: solo una piccola parte della luce attraversa l’apertura e raggiunge il piano del rivelatore (griglia viola), come illustrato in ??A livello concettuale, l’apertura seleziona i raggi in base a dove da dove provengono e che angolazione si muovono lungo: i raggi che arrivano con un angolo di incidenza troppo ampio (o che provengono dalla «zona sbagliata» della matrice di microlenti) vengono bloccati. Esegui nuovamente la simulazione.F9). A questo punto, si dovrebbe notare che la maggior parte dei raggi viene deviata: solo una piccola parte della luce attraversa l’apertura e raggiunge il piano del rivelatore (griglia viola), come illustrato in ??A livello concettuale, l’apertura seleziona i raggi in base a dove da dove provengono e che angolazione si muovono lungo: i raggi che arrivano con un angolo di incidenza troppo ampio (o che provengono dalla «zona sbagliata» della matrice di microlenti) vengono bloccati.

2. Individuare la posizione di partenza e verificarne l’idoneità.2. Individuare la posizione di partenza e verificarne l’idoneità.

Riposiziona la telecamera in modo da poter visualizzare chiaramente la regione di origine e le microlenti, come mostrato in ??. Utilizzando il mouse, sposta la sorgente ottica lateralmente all’interno della finestra di simulazione e cerca il punto in cui i raggi non raggiungono più il rivelatore. Quando l’apertura è quasi completamente chiusa, esisterà un intervallo di posizioni della sorgente per le quali i raggi possono ancora attraversare l’apertura e raggiungere il rivelatore; superata una certa distanza, il rivelatore riceverà praticamente nessuna luce.Riposiziona la telecamera in modo da poter visualizzare chiaramente la regione di origine e le microlenti, come mostrato in ??. Utilizzando il mouse, sposta la sorgente ottica lateralmente all’interno della finestra di simulazione e cerca il punto in cui i raggi non raggiungono più il rivelatore. Quando l’apertura è quasi completamente chiusa, esisterà un intervallo di posizioni della sorgente per le quali i raggi possono ancora attraversare l’apertura e raggiungere il rivelatore; superata una certa distanza, il rivelatore riceverà praticamente nessuna luce.

Per quantificare la quantità di luce che raggiunge il rivelatore, passare alla scheda «Output», aprire il file detector0 e quindi aprire il file detector_efficiency0.csv. Questo file rappresenta graficamente la relazione tra la lunghezza d’onda e la frazione di luce emessa che viene rilevata. I rivelatori e i loro segnali di uscita sono descritti in modo più dettagliato in altri tutorial; qui utilizziamo lo spettro di efficienza come misura sintetica dell’efficienza di rilevamento ottico.Per quantificare la quantità di luce che raggiunge il rivelatore, passare alla scheda «Output», aprire il file detector0 e quindi aprire il file detector_efficiency0.csv. Questo file rappresenta graficamente la relazione tra la lunghezza d’onda e la frazione di luce emessa che viene rilevata. I rivelatori e i loro segnali di uscita sono descritti in modo più dettagliato in altri tutorial; qui utilizziamo lo spettro di efficienza come misura sintetica dell’efficienza di rilevamento ottico.

Filtro ottico di tipo confocale (principio del foro stenopeico)Filtro ottico di tipo confocale (principio del foro stenopeico)

Un microscopio a confocalità migliora il contrasto dell’immagine utilizzando una diaframma (o «foro stenopeico») posizionata in modo tale che la luce proveniente dalla regione focale venga trasmessa in modo preferenziale, mentre la luce proveniente da aree non a fuoco o al di fuori dell’asse ottico viene bloccata. Questo principio viene solitamente descritto in termini di sezionamento in profondità (assiale), ma lo stesso principio si applica anche in direzione laterale: una apertura può fungere da filtro spaziale che consente il passaggio della luce proveniente solo da una regione e da un intervallo angolare limitati.Un microscopio a confocalità migliora il contrasto dell’immagine utilizzando una diaframma (o «foro stenopeico») posizionata in modo tale che la luce proveniente dalla regione focale venga trasmessa in modo preferenziale, mentre la luce proveniente da aree non a fuoco o al di fuori dell’asse ottico viene bloccata. Questo principio viene solitamente descritto in termini di sezionamento in profondità (assiale), ma lo stesso principio si applica anche in direzione laterale: una apertura può fungere da filtro spaziale che consente il passaggio della luce proveniente solo da una regione e da un intervallo angolare limitati.

In questa dimostrazione di MicroLens, l’apertura svolge una funzione simile a quella del foro di riferimento confocale: impone una condizione di accettazione molto precisa. Quando si esegue la scansione della sorgente lateralmente, si misura in pratica una funzione di accettazione laterale del sistema ottico. Chiudendo l’apertura, si riduce il rumore di fondo e la dispersione dei raggi, ma si rende anche il segnale del rivelatore molto sensibile alla posizione della sorgente e all’angolo di emissione.In questa dimostrazione di MicroLens, l’apertura svolge una funzione simile a quella del foro di riferimento confocale: impone una condizione di accettazione molto precisa. Quando si esegue la scansione della sorgente lateralmente, si misura in pratica una funzione di accettazione laterale del sistema ottico. Chiudendo l’apertura, si riduce il rumore di fondo e la dispersione dei raggi, ma si rende anche il segnale del rivelatore molto sensibile alla posizione della sorgente e all’angolo di emissione.

3. Emettere luce su un intervallo angolare più ampio.3. Emettere luce su un intervallo angolare più ampio.

Successivamente, faremo in modo che la sorgente luminosa emetta luce in un numero maggiore di direzioni. Cliccare con il tasto destro sulla sorgente luminosa per aprire l’editor della sorgente (??). Aumentare l’ampiezza angolare Phi in modo che la luce venga emessa da -90 a +90 gradi, utilizzando 20 incrementi. In questo modo, la luce verrà emessa in molte più direzioni.Successivamente, faremo in modo che la sorgente luminosa emetta luce in un numero maggiore di direzioni. Cliccare con il tasto destro sulla sorgente luminosa per aprire l’editor della sorgente (??). Aumentare l’ampiezza angolare Phi in modo che la luce venga emessa da -90 a +90 gradi, utilizzando 20 incrementi. In questo modo, la luce verrà emessa in molte più direzioni.

Esegui nuovamente la simulazione. Dovresti visualizzare un numero molto maggiore di raggi, compresi quelli che si propagano lateralmente, oltre a quelli che attraversano l'apertura in direzione verticale, come mostrato in ??. Se esamini di nuovo detector0/detector_efficiency0.csv, noterai che l'area di accettazione del rivelatore è generalmente molto limitata: la maggior parte della luce emessa non soddisfa i requisiti geometrici necessari per attraversare l'apertura e raggiungere il rivelatore.Esegui nuovamente la simulazione. Dovresti visualizzare un numero molto maggiore di raggi, compresi quelli che si propagano lateralmente, oltre a quelli che attraversano l'apertura in direzione verticale, come mostrato in ??. Se esamini di nuovo detector0/detector_efficiency0.csv, noterai che l'area di accettazione del rivelatore è generalmente molto limitata: la maggior parte della luce emessa non soddisfa i requisiti geometrici necessari per attraversare l'apertura e raggiungere il rivelatore.

Perché la raccolta efficiente della luce è un compito difficile.Perché la raccolta efficiente della luce è un compito difficile.

Questo comportamento riflette una difficoltà generale nei sistemi ottici: una volta introdotti diaframmi, schermi antiriflesso, dimensioni finite dei rivelatori o apertura numerica limitata, si impone una condizione di accettazione rigorosa in termini di posizione e angolo. La luce emessa su un ampio intervallo angolare (ad esempio, a causa della diffusione, di sorgenti diffuse, della fluorescenza o di superfici irregolari) è intrinsecamente difficile da raccogliere in modo efficiente senza ricorrere a una delle seguenti soluzioni: (i) un sistema ottico di raccolta con elevata apertura numerica, (ii) un rivelatore con etendue corrispondente o (iii) accettare una maggiore quantità di luce di fondo e luce dispersa.Questo comportamento riflette una difficoltà generale nei sistemi ottici: una volta introdotti diaframmi, schermi antiriflesso, dimensioni finite dei rivelatori o apertura numerica limitata, si impone una condizione di accettazione rigorosa in termini di posizione e angolo. La luce emessa su un ampio intervallo angolare (ad esempio, a causa della diffusione, di sorgenti diffuse, della fluorescenza o di superfici irregolari) è intrinsecamente difficile da raccogliere in modo efficiente senza ricorrere a una delle seguenti soluzioni: (i) un sistema ottico di raccolta con elevata apertura numerica, (ii) un rivelatore con etendue corrispondente o (iii) accettare una maggiore quantità di luce di fondo e luce dispersa.

Tra gli esempi pratici si possono citare i sistemi di imaging progettati per ridurre i riflessi e l’abbagliamento (dove la luce diffusa attenua il contrasto), i sistemi microscopici che scambiano il segnale con la sezione ottica (il foro stenopeico confocale elimina il rumore di fondo, ma allo stesso tempo elimina anche parte del segnale) e i sensori posizionati dietro vetri o alloggiamenti, dove i riflessi interni creano traiettorie fantasma. La dimostrazione di MicroLens rende visibili questi compromessi: chiudendo l’apertura si riduce il rumore di fondo, ma il sistema diventa anche molto meno tollerante alla posizione della sorgente e all’angolo di emissione.Tra gli esempi pratici si possono citare i sistemi di imaging progettati per ridurre i riflessi e l’abbagliamento (dove la luce diffusa attenua il contrasto), i sistemi microscopici che scambiano il segnale con la sezione ottica (il foro stenopeico confocale elimina il rumore di fondo, ma allo stesso tempo elimina anche parte del segnale) e i sensori posizionati dietro vetri o alloggiamenti, dove i riflessi interni creano traiettorie fantasma. La dimostrazione di MicroLens rende visibili questi compromessi: chiudendo l’apertura si riduce il rumore di fondo, ma il sistema diventa anche molto meno tollerante alla posizione della sorgente e all’angolo di emissione.