광선 추적 튜토리얼 (파트 B): MicroLens 데모 – 조리개 필터링 및 광원 스캐닝

파트 A에서는 MicroLens 데모를 불러오고 기준 광선 추적 시뮬레이션을 실행했습니다. 이 파트에서는 검출기에 도달할 수 있는 광선 다발이 좁아지도록 조리개 스톱을 의도적으로 좁힙니다. 이렇게 하면 시스템이 강한 공간/각도 필터로 바뀌어 대부분의 광선은 차단되고 축 근처의 광선만 통과됩니다.

1. 조리개 닫기 (d0 감소)

3D 보기에서 조리개 스톱(구멍이 있는 파란 판)을 오른쪽 클릭하고 Mesh editor를 여십시오. 이는 ??에 표시되어 있습니다. 그러면 조리개 편집기 창이 열리며 (??), 여기서 구멍 크기를 제어할 수 있습니다. D0를 0.005 m로 설정하십시오. 이렇게 하면 조리개가 사실상 닫히며, 어떤 광선이 검출기로 통과할 수 있는지를 강하게 제한합니다. 이런 점에서 조리개는 confocal 현미경의 핀홀이나 다른 광학 기기에서 사용되는 시야 스톱과 유사한 역할을 합니다. 즉, 좁은 위치 및 각도 범위에서 오는 광선만 통과시키고 축외광과 stray light는 차단합니다.

시뮬레이션을 다시 실행하십시오(F9). 이제 대부분의 광선이 차단되고 소량의 빛만 조리개를 통과해 검출기 평면(보라색 격자)에 도달함을 볼 수 있습니다. 이는 ??에 표시되어 있습니다. 개념적으로 조리개는 광선이 어디에서 왔는지와 어떤 각도로 진행하는지를 기준으로 광선을 선택합니다. 지나치게 축에서 벗어나 도달하는 광선(또는 microlens array의 “잘못된” 영역에서 시작한 광선)은 차단됩니다.

2. 광원 위치를 스캔하고 수용 범위 관찰

카메라를 다시 정렬하여 광원 영역과 microlens를 명확하게 볼 수 있도록 하십시오. 이는 ??와 유사합니다. 마우스를 사용해 광원을 시뮬레이션 창에서 측방향으로 이동시키고, 광선이 더 이상 검출기에 도달하지 않는 지점을 찾아보십시오. 조리개가 거의 닫힌 상태에서는 광선이 여전히 구멍을 통과해 검출기에 도달할 수 있는 광원 위치 범위가 존재하며, 그 범위를 벗어나면 검출기는 사실상 빛을 받지 못하게 됩니다.

얼마나 많은 빛이 검출기에 도달하는지 정량화하려면 Output 탭으로 전환하고 detector0를 연 다음 detector_efficiency0.csv를 여십시오. 이 파일은 파장 대비 검출기가 수용한 방출광의 비율을 플로팅합니다. 검출기와 그 출력은 다른 튜토리얼에서 더 자세히 다루지만, 여기서는 효율 스펙트럼을 광학적 수용성의 간단한 척도로 사용합니다.

Confocal 스타일 광 필터링 (핀홀 유추)

Confocal 현미경은 핀홀을 사용하여 초점 영역에서 오는 빛을 우선적으로 통과시키고, 초점이 맞지 않거나 축외의 빛은 차단함으로써 영상 대비를 향상시킵니다. 이는 보통 깊이(축 방향) 분해능 측면에서 설명되지만, 같은 원리는 측방향에도 적용됩니다. 즉, 조리개는 제한된 위치와 각도 범위에서 오는 빛만 통과시키는 공간 필터로 동작할 수 있습니다.

이 MicroLens 데모에서 조리개 스톱은 confocal 핀홀과 유사한 역할을 합니다. 즉, 엄격한 수용 조건을 강제합니다. 광원을 옆으로 스캔할 때, 실제로는 광학 시스템의 측방향 수용 함수를 측정하고 있는 것입니다. 조리개를 좁히면 배경과 stray ray가 억제되지만, 동시에 검출기 신호는 광원 위치와 방출 각도에 매우 민감해집니다.

3. 더 넓은 각도 범위로 빛 방출

다음으로 광원이 더 넓은 방향 집합으로 빛을 방출하도록 만들겠습니다. 광원을 오른쪽 클릭하여 광원 편집기를 여십시오. 이는 ??에 표시되어 있습니다. 빛이 -90에서 +90도까지 20 단계로 방출되도록 Phi 각도 범위를 넓히십시오. 이렇게 하면 훨씬 더 많은 방향으로 광선이 방출됩니다.

시뮬레이션을 다시 실행하십시오. 이제 조리개를 통해 위쪽으로 나가는 광선뿐 아니라 측면으로 빠져나가는 광선도 더 많이 보이게 됩니다. 이는 ??에 표시되어 있습니다. detector0/detector_efficiency0.csv를 다시 확인하면 검출기 수용 효율은 일반적으로 매우 낮게 나타납니다. 방출된 대부분의 빛은 조리개를 통과해 검출기에 도달하는 데 필요한 기하학적 조건을 만족하지 못하기 때문입니다.

효율적인 광 수집이 어려운 이유

이러한 거동은 광학 시스템의 일반적인 어려움을 반영합니다. 조리개, 배플, 유한한 검출기 크기 또는 제한된 수치 개구를 도입하면, 위치와 각도에 대해 엄격한 수용 조건을 강제하게 됩니다. 넓은 각도 분포로 방출되는 빛(예: 산란, 확산 방출체, 형광 또는 거친 표면으로부터의 빛)은 본질적으로 효율적으로 수집하기 어렵습니다. 이를 해결하려면 (i) 높은 NA의 수집 광학계, (ii) etendue가 일치하는 검출기, 또는 (iii) 더 많은 배경 및 stray light를 수용하는 방법 중 하나가 필요합니다.

실제 예로는 flare와 veiling glare(여기서 stray light가 대비를 약화시킴)에 대응하는 영상 시스템, 신호와 광학 단층 분해를 맞바꾸는 현미경 시스템(confocal 핀홀은 배경뿐 아니라 신호도 차단함), 그리고 내부 반사가 ghost path를 만드는 창이나 하우징 뒤에 있는 센서가 있습니다. MicroLens 데모는 이러한 상충 관계를 가시화합니다. 조리개를 좁히면 배경은 억제되지만, 시스템은 광원 위치와 방출 각도에 훨씬 덜 관대해집니다.