Źródła światła optycznego i widma promieniowania

1. Wprowadzenie

W programie OghmaNano źródła światła służą do definiowania widm promieniowania, które są wykorzystywane w symulacji optycznej. Dowolna padająca moc promieniowania, niezależnie od tego, czy pochodzi ze światła słonecznego, lasera, lampy, czy też zdefiniowanego przez użytkownika widma, jest wprowadzana do symulacji za pomocą źródła światła. Na przykład, standardowe widmo słoneczne AM1.5G, laser monochromatyczny lub zmierzone widmo eksperymentalne mogą być reprezentowane za pomocą edytora źródeł światła.

System źródła światła jest wspólny dla wszystkich modułów optycznych w OghmaNano, co zapewnia spójny sposób definiowania warunków oświetlenia, niezależnie od używanej metody symulacji. W związku z tym, te same definicje źródła światła mogą być stosowane do symulacji opartych na macierzy transferowej, symulacji metodą różnic skończonych w dziedzinie czasu (FDTD) i symulacji śledzenia promieni. Dzięki temu można bezpośrednio porównywać różne modele optyczne w identycznych warunkach oświetlenia.

Na tej stronie wyjaśniono, jak tworzyć, łączyć i konfigurować źródła światła, stosować filtry optyczne oraz kontrolować kierunek i położenie źródła oświetlenia w programie OghmaNano.

2. Otwieranie edytora źródeł światła.

Do edytora źródeł światła można uzyskać dostęp z poziomu paska narzędzi „Optyka” w głównym oknie (patrz Rysunek ??). Po otwarciu wygląda on tak, jak na ilustracji ??. Źródło światła w OghmaNano jest definiowane przez jego widmo emisji. Na przykład, można skonfigurować źródło tak, aby emitowało standardowe widmo AM1.5G. Następnie można połączyć wiele widm w zakładce „Źródło światła”. Umożliwia to nałożenie na siebie różnych widm, na przykład widma AM1.5G wraz z emisją świetlówki. Względną intensywność każdego źródła ustawia się za pomocą kolumny „Mnożnik”, która określa udział każdego widma.

Filtry optyczne, zarządzane w zakładce „Filtry” (??), są stosowane do połączonego spektrum, a nie do poszczególnych źródeł światła. Filtry reprezentują materiały, które absorbują lub blokują określone zakresy długości fal – na przykład symulują grubą warstwę szkła, która blokuje promieniowanie słoneczne o długości fali poniżej 300 nm. Można je włączać lub wyłączać za pomocą przełącznika „Włącz”, wybrać odpowiedni materiał i określić siłę tłumienia w decybelach (dB).

3. Orientacja źródła światła

W programie OghmaNano każde źródło światła można skonfigurować tak, aby oświetlało symulację z określonego kierunku lub z dowolnego punktu w przestrzeni trójwymiarowej. Dostępne kierunki źródła to: góra (y0), dół (y1), lewo (x0), prawo (x1), przód (z0), tył (z1) oraz dowolna pozycja xyz. Przykładowe konfiguracje źródeł światła przedstawiono na rysunkach ??, ??, ?? i ??.

Wybrana orientacja źródła światła jest automatycznie przekazywana do używanego modułu obliczeniowego. OghmaNano wykorzystuje jednolitą platformę dla różnych źródeł światła w modułach metoda macierzy przenoszenia, FDTD i śledzenie promieni, co umożliwia ponowne wykorzystanie tych samych warunków oświetleniowych w różnych technikach symulacji optycznych.

• Górna granica (y0): Światło wpada przez górną granicę obszaru symulacji. Jest to najczęściej stosowana konfiguracja w symulacjach ogniw słonecznych i często wykorzystywana w połączeniu z metodą macierzy przenoszenia. Przykład przedstawiono w ??.
• Dolna granica (y1): Światło wpada przez dolną granicę obszaru symulacji. Taka konfiguracja jest powszechnie stosowana podczas modelowania oświetlenia przez podłoże lub symulacji urządzeń dwustronnych. Przykład przedstawiono w ??.
• Lewa strona (x0) i prawa strona (x1): Światło wprowadzane jest przez lewą lub prawą granicę obszaru symulacji. Te typy źródeł światła są przydatne podczas modelowania struktur światłowodowych, siatek dyfrakcyjnych, urządzeń sprzężonych krawędziowo oraz geometrii oświetlenia bocznego. Przykład oświetlenia bocznego przedstawiono w ??.
• Przód (z0) i tył (z1): Światło wchodzi przez przednią lub tylną granicę obszaru symulacji, określaną współrzędną z. Opcje te są stosowane głównie w trójwymiarowych symulacjach optycznych, w których wymagane jest oświetlenie wzdłuż osi z.
• Pozycja XYZ: Źródło światła jest umieszczane w dowolnym miejscu w trójwymiarowej przestrzeni symulacji. Ten tryb jest zazwyczaj preferowany w symulacjach FDTD i śledzenia promieni, ponieważ umożliwia pełną kontrolę nad położeniem źródła i geometrią oświetlenia. Przykład przedstawiono w ??.

Dostępne typy źródeł zależą od używanego solvera optycznego. W przypadku symulacji opartych na metodzie macierzy przenoszenia, oświetlenie jest wprowadzane przez jedną z granic symulacji (x0, x1, y0, y1, z0 lub z1). Dowolne źródła xyz nie są obsługiwane, ponieważ metoda macierzy przenoszenia wymaga precyzyjnie zdefiniowanych warunków brzegowych i znanej kierunku propagacji. Natomiast zarówno symulacje FDTD, jak i symulacje śledzenia promieni obsługują dowolne źródła światła xyz, a te są zazwyczaj preferowanym typem źródła dla złożonych, trójwymiarowych układów optycznych.

W ramach jednej symulacji można łączyć wiele źródeł światła. Na przykład, urządzenie może być oświetlane jednocześnie od góry (y0) i od dołu (y1), aby symulować działanie dwustronnej ogniwa słonecznego. Podobnie, źródła światła padające z różnych kierunków można łączyć, aby odzwierciedlić rozproszone oświetlenie, obecność wielu lamp, odbite światło lub skomplikowane konfiguracje eksperymentalne.

4. Konfiguracja źródeł światła XYZ.

Gdy oświetlenie jest wprowadzane przez jedną z granic obszaru symulacji (x0, x1, y0, y1, z0 lub z1), OghmaNano zakłada, że źródłem jest jednorodna fala płaska rozchodząca się prostopadle do wybranej granicy. W wielu symulacjach optycznych jest to wystarczające. Bardziej złożone systemy optyczne często wymagają jednak umieszczenia źródła w określonym miejscu w obszarze symulacji. Osiąga się to za pomocą źródła światła xyz.

Źródło światła typu xyz traktowane jest jako standardowy obiekt OghmaNano, dlatego wykorzystuje te same ustawienia dotyczące położenia i geometrii, które są stosowane w całym środowisku symulacji optycznej. Parametry te są dostępne w zakładce „Obiekt” edytora źródła światła, jak pokazano na ilustracji ??. To samo okno dialogowe można również otworzyć bezpośrednio z okna symulacji 3D, klikając prawym przyciskiem myszy na źródle światła i wybierając opcję „Edytuj obiekt”.

Parametry obiektu określają położenie, rozmiar i orientację powierzchni emitującej światło. Wartości przesunięcia (Offset) określają współrzędne x, y i z źródła, natomiast parametry rozmiaru xyz definiują jego fizyczne wymiary. W praktyce źródło światła xyz jest reprezentowane jako płaszczyzna emitująca światło o skończonych wymiarach w osiach x i y oraz znikomej grubości w osi z. Dzięki temu możliwe jest modelowanie kwadratowych lub prostokątnych źródeł światła znajdujących się w dowolnym miejscu w obszarze symulacji. Parametry obrotu mogą być używane do określenia orientacji płaszczyzny emitującej światło względem otaczającego systemu optycznego.

Parametry emisji światła źródła można skonfigurować oddzielnie, korzystając z zakładki „Konfiguracja”, którą można znaleźć w ??. Kąty θ i φ określają kierunek propagacji, natomiast powiązane parametry zakresu (Δθ, Δφ oraz liczba kroków) pozwalają na emisję światła w szerokim zakresie kątów. W symulacjach śledzenia promieni można to wykorzystać do generowania stożków, wachlarzy lub innych rozkładów kątowych promieni pochodzących z jednego źródła.

Parametr kształtu wiązki kontroluje przestrzenny rozkład promieni na powierzchni emisyjnej. Ustawienia „Liczba wiązek w osi x” i „Liczba wiązek w osi y” określają, jak gęsto próbkowane jest źródło. W przykładzie przedstawionym na ilustracji ?? siatka wiązek o wymiarach 50 × 50 generuje 2500 promieni z płaszczyzny źródła. Zwiększenie gęstości wiązek zazwyczaj poprawia dokładność próbkowania, choć odbywa się to kosztem wydłużenia czasu obliczeń.

Połączenie dowolnego sposobu ustawiania, geometrii źródła i kontroli kąta sprawia, że źródła światła typu xyz są szczególnie przydatne w symulacjach śledzenia promieni i metodzie FDTD. Typowe zastosowania obejmują modelowanie laserów, diod LED, włókien optycznych, światłowodów, systemów obrazowania i innych układów optycznych, w których zarówno położenie, jak i charakterystyka emisji źródła stanowią istotne elementy ogólnej konstrukcji.

5. Źródła światła w metodzie FDTD

W przeciwieństwie do ustawień dotyczących optycznych źródeł światła, opisanych w poprzednich sekcjach, symulacje FDTD wymagają dodatkowych parametrów źródła, które kontrolują sposób, w jaki pola elektromagnetyczne są wprowadzane do obszaru symulacji. Ustawienia te są dostępne w specjalnej zakładce FDTD, którą można znaleźć w ??.

Źródła światła wykorzystywane w metodzie FDTD charakteryzują się szeregiem właściwości, które zazwyczaj nie są wymagane w symulacjach opartych na macierzach przenoszenia lub śledzeniu promieni. Na przykład, konieczne jest określenie metody wprowadzania sygnału do źródła, rodzaju przebiegu, amplitudy, fazy, czasu i polaryzacji pola. Parametry te określają sposób, w jaki źródło oddziałuje z siatką FDTD, oraz sposób, w jaki energia elektromagnetyczna jest wprowadzana do symulacji.

Ponieważ te ustawienia dotyczą konkretnie metody różnic skończonych w dziedzinie czasu, są one ignorowane podczas przeprowadzania symulacji opartych na macierzy przenoszenia, śledzeniu promieni lub innych symulacji optycznych. Ta zakładka jest używana tylko wtedy, gdy przeprowadzana jest symulacja FDTD.

Szczegółowy opis każdego z parametrów źródła FDTD znajduje się w dokumentacji poświęconej źródłom światła FDTD. Pełną analizę metod wprowadzania sygnału do źródła, kształtów fal, ustawień czasowych i polaryzacji można znaleźć w dokumencie Źródła światła FDTD.

6. Współczynnik uwzględniający warunki terenu.

Lokalny współczynnik widoczności terenu określa, jaka część otaczającej powierzchni terenu jest widoczna z danego punktu na urządzeniu. Ma to znaczenie przy analizie symulacji optycznych, które uwzględniają odbite lub rozproszone światło pochodzące z powierzchni terenu. Innymi słowy, uwzględnia on udział rozproszonego promieniowania, które pochodzi z terenu znajdującego się pod urządzeniem.

Współczynnik definiuje się jako:

\[ F_{\text{ground}} = \sin^2\!\left(\frac{\theta_t}{2}\right) = \frac{1 - \cos(\theta_t)}{2}, \]

gdzie \(\theta_t\) oznacza kąt nachylenia urządzenia względem płaszczyzny poziomej. Urządzenie umieszczone poziomo (\(\theta_t = 0\)) nie „widzi” podłoża, co daje wynik \(F_{\text{ground}} = 0\). Urządzenie umieszczone pionowo (\(\theta_t = 90^\circ\)) ma współczynnik widoczności podłoża równy 0,5, ponieważ połowa jego otoczenia, które odbija światło rozproszone, stanowi podłoże, a druga połowa – niebo.

Ten parametr można ustawić w zakładce „Konfiguracja”. Zazwyczaj stosuje się go w sytuacjach, gdy światło odbijające się od podłoża (albedo) w istotny sposób wpływa na oświetlenie – na przykład w symulacjach ogniw słonecznych prowadzonych na zewnątrz, w przypadku fotowoltaiki zintegrowanej z budynkami lub urządzeń wystawionych na działanie silnie odbijających powierzchni, takich jak śnieg lub białe pokrycia dachowe.

7. Podsumowanie

OghmaNano zapewnia spójną platformę do definiowania źródeł światła, która może być wykorzystywana w symulacjach opartych na macierzy transferowej, śledzeniu promieni i metodzie FDTD. Źródła światła można wykorzystać do definiowania dowolnych widm oświetlenia, łączenia wielu źródeł optycznych, stosowania filtrów optycznych oraz kontrolowania położenia, orientacji i rozkładu kątowego padającego światła. Ta wspólna platforma umożliwia ponowne wykorzystanie tych samych warunków oświetlenia w różnych solverach optycznych, co upraszcza konstruowanie i porównywanie symulacji optycznych.

Szczegółowe informacje dotyczące konkretnych rozwiązań można znaleźć w dokumentacji dotyczącej symulacji metodą macierzy przenoszenia, śledzenia promieni i FDTD.