Detektory optyczne

1. Wprowadzenie

W programie OghmaNano do pomiaru światła podczas jego rozchodzenia się w układzie optycznym wykorzystuje się detektory optyczne. Detektory definiuje się za pomocą edytora „Detektory optyczne”, do którego można uzyskać dostęp z paska narzędzi „Optyka” w głównym oknie (patrz Rysunek ??).

Otwieranie edytora detektorów optycznych z poziomu paska narzędzi „Optyka”.

Edytor detektorów optycznych jest wyświetlany na ??. Detektor optyczny w OghmaNano to dwuwymiarowa powierzchnia umieszczona w dowolnym miejscu w obszarze symulacji. W zasadzie działa on jak idealizowana kamera CCD: rejestruje liczbę fotonów, które przez niego przechodzą, oraz zapisuje ich rozkład spektralny i przestrzenny.

Detektory nie absorbują, nie odbijają ani nie rozpraszają światła. Są one matematycznie przezroczyste i nie zakłócają pola optycznego. Promienie, fale lub fotony przechodzą przez detektor bez zmian; detektor po prostu rejestruje to, co przechodzi przez jego powierzchnię.

OghmaNano Optical Detectors Editor showing detector configuration options — Panel konfiguracyjny edytora detektorów optycznych.

Right-click menu in the 3D scene showing New Detector option — Można utworzyć nowy detektor bezpośrednio na podstawie trójwymiarowej sceny, klikając prawym przyciskiem myszy.

2. Geometria i rozdzielczość detektora

Detektor charakteryzuje się swoją pozycją, orientacją i wymiarami w płaszczyźnie poziomej (\(dx\) i \(dy\)). Grubość \(dz\) nie ma znaczenia, ponieważ detektor traktowany jest jako czysto dwuwymiarowa powierzchnia. Detektor można obracać wokół osi \(x\), \(y\) i \(z\), co pozwala mu przyjmować dowolne położenie. Dzięki temu możliwe jest rejestrowanie światła przechodzącego, odbitego lub rozproszonego w dowolnej konfiguracji geometrycznej. Detektory można również interaktywnie przesuwać, przeciągając je w obrębie trójwymiarowej sceny.

W sekcji „Detektor” panelu konfiguracyjnego parametry „Liczba punktów siatki X” i „Liczba punktów siatki Y” określają liczbę przestrzennych komórek używanych na powierzchni detektora. Parametry te bezpośrednio odpowiadają liczbie pikseli w matrycy CCD i kontrolują przestrzenną rozdzielczość rejestrowanych danych. W jednej symulacji można umieścić wiele detektorów. Każdy detektor działa niezależnie i generuje własny zestaw plików wyjściowych.

3. Przykładowe detektory

Detector measuring light escaping from an optical system — Detektor umieszczony za układem optycznym, którego zadaniem jest pomiar rozproszonego światła. Detektor rejestruje rozkład promieniowania w przestrzeni i w funkcji długości fali.

Detector capturing light emitted from the top of a LEFET — Detektor mierzący światło emitowane z górnej powierzchni tranzystora polowego emitującego światło (LEFET).

4. Wyniki/Rezultaty

Po otwarciu folderu z wynikami pomiarów detektora zazwyczaj zobaczymy cztery pliki (patrz rysunek ??): detector_abs0.csv, detector_efficiency0.csv, detector_input0.csv i RAY_image.csv. Razem zawierają one informacje o (i) przestrzennym rozkładzie wykrytego światła oraz (ii) widmie promieniowania od źródła do detektora.

Detector output shown as a CCD-like icon in the output browser — Sygnał z detektora jest wyświetlany w postaci ikony przypominającej matrycę CCD w oknie przeglądarki wyników.

Detailed detector outputs including spatial images and spectra — Szczegółowe dane wyjściowe, generowane na podstawie analizy światła przechodzącego przez detektor.

RAY_image.csv to obraz o wysokiej rozdzielczości przestrzennej, przedstawiający sygnał odbierany przez detektor (koncepcyjnie odpowiada ramce CCD). W trybie śledzenia promieni zazwyczaj generowany jest poprzez śledzenie trzech reprezentatywnych długości fal (nominalnie „R”, „G” i „B”) i bezpośrednie przyporządkowanie ich do obrazu RGB. W procesach, które nie wykorzystują śledzenia promieni, lub gdy śledzone są szersze zakresy długości fal, OghmaNano przekształca odebrany widm w wyświetlany obraz RGB, wykorzystując standardowe funkcje odpowiadające reakcji wzrokowej człowieka na kolory (w związku z tym kolor jest przybliżoną reprezentacją tego, co widziałoby oko, a nie dosłownym odwzorowaniem trzech długości fal). W praktyce, w przypadku widm EL/PL, należy śledzić wiele długości fal; trójkolorowy obraz RGB jest wystarczający do szybkiej wizualizacji optycznej, ale jest zbyt ograniczony do przedstawiania widm emisji.

Pozostałe trzy pliki tworzą prosty łańcuch: „dane wejściowe → wykryte obiekty → efektywność”.

detector_abs0.csv (??): dostępny zakres widma źródła, który teoretycznie mógłby dotrzeć do detektora. Oznacza to rozkład emitowanych promieni/fotonów w zależności od długości fali, zanim geometria i absorpcja określą, co faktycznie do niego dotrze.
detector_input0.csv (??): widmo promieni/fotonów, które faktycznie docierają do powierzchni detektora i ją przenikają (odczytywane jako liczba zliczeń). Absorpcja materiału i obcinanie widma wpływają na to. W przedstawionym przykładzie szkło pochłania część widma w zakresie promieniowania ultrafioletowego, co powoduje wyraźny spadek wartości przy krótkich długościach fal.
detector_efficiency0.csv (??): prawdopodobieństwo detekcji (wyrażone w procentach) w zależności od długości fali, obliczone jako \[ \eta(\lambda)=100\times\frac{I_{\text{det}}(\lambda)}{I_{\text{avail}}(\lambda)} =100\times\frac{\texttt{detector_input0.csv}}{\texttt{detector_abs0.csv}}. \]. Interpretacja fizyczna: jeśli promień/foton jest emitowany przy długości fali \(\lambda\), jaka część tych emisji dociera do detektora?

Rendered detector image (spatially resolved) generated from RAY_image.csv — Obraz uzyskany za pomocą detektora o rozdzielczości przestrzennej (pochodzący z `RAY_image.csv`).

Detector input histogram showing available emitted spectrum that could have hit the detector — Dostępny zakres częstotliwości, który mógłby dotrzeć do detektora (zgodnie z `detector_abs0.csv`).

Detected light counts versus wavelength from detector_input0.csv — Wykryto widmo światła, przedstawione w postaci liczbowej (dane pochodzą z `detector_input0.csv`).

Detection efficiency versus wavelength computed from detector_input0.csv divided by detector_abs0.csv — Współczynnik skuteczności detekcji \(\eta(\lambda)\) wyrażony w procentach (na podstawie `detector_efficiency0.csv`).