Samouczek dotyczący śledzenia promieni (część B): demonstracja MicroLens – filtrowanie apertury i skanowanie źródła.

W części A załadowano wersję demonstracyjną MicroLens i przeprowadzono podstawową symulację śledzenia promieni. W tej części celowo zmniejszamy aperturę, aby tylko wąski strumień promieni mógł dotrzeć do detektora. Dzięki temu system przekształca się w silny filtr przestrzenno-kątowy: większość promieni jest odrzucana, a akceptowane są tylko promienie bliskie osi.

1. Zamknij przysłonę (zmniejsz wartość d0).

W widoku 3D kliknij prawym przyciskiem myszy na przysłonie (niebieska płytka z otworem) i otwórz edytor siatki, jak pokazano na ilustracji ??. Spowoduje to otwarcie okna edytora przysłony (??), w którym można regulować rozmiar otworu. Ustaw wartość D0 na 0.005 m. W ten sposób skutecznie zamyka się przysłonę, co znacznie ogranicza, które promienie mogą dotrzeć do detektora. W tym zakresie przysłona pełni funkcję podobną do małego otworu w mikroskopie konfokalnym lub do przysłon polowych stosowanych w innych instrumentach optycznych: dopuszcza się tylko promienie docierające z wąskiego zakresu pozycji i kątów, natomiast promienie odbiegające od osi i rozproszone są odrzucane.

Uruchom ponownie symulację.F9). Powinno być teraz widoczne, że większość promieni jest odrzucana: tylko niewielka część światła przechodzi przez aperturę i dociera do płaszczyzny detektora (fioletowa siatka), jak pokazano na ilustracji. ??Zasadniczo, apertura wybiera promienie na podstawie gdzie skąd pochodzą i jaki kąt promienie padają pod następującym kątem: promienie, które docierają pod zbyt dużym kątem (lub pochodzą z „niewłaściwej” części matrycy mikrosoczewek), są blokowane.

2. Przeskanuj początkową pozycję i obserwuj, czy jest ona akceptowalna.

Przesuń kamerę, aby wyraźnie widzieć obszar źródła i mikrosoczewki, podobnie jak na ??. Za pomocą myszy przesuń optyczne źródło w poziomie w oknie symulacji i spróbuj znaleźć punkt, w którym promienie przestają docierać do detektora. Przy prawie zamkniętej aperturze będzie istniał zakres pozycji źródła, dla których promienie nadal mogą przechodzić przez otwór i docierać do detektora, a po przekroczeniu pewnego przesunięcia detektor będzie odbierał praktycznie brak światła.

Aby określić, ile światła dociera do detektora, przejdź do zakładki „Wyniki”, otwórz plik detector0, a następnie otwórz plik detector_efficiency0.csv. W tym pliku przedstawiono zależność długości fali od udziału emitowanego światła, które jest rejestrowane przez detektor. Detektory i ich działanie omówione są szczegółowo w innych samouczkach; tutaj wykorzystujemy spektrum wydajności jako zwięzły wskaźnik efektywności optycznej.

Optyczne filtrowanie w stylu konfokalnym (analogia do użycia apertury).

Mikroskop konfokal poprawia kontrast obrazu, wykorzystując aperturę (małą dziurkę), umieszczoną w taki sposób, aby światło pochodzące z obszaru w ostrości było preferencyjnie przepuszczane, natomiast światło spoza obszaru w ostrości i światło padające pod kątem jest odcinane. Zazwyczaj opisuje się to w kontekście sekcjonowania w głębi (osiowego), ale ta sama zasada dotyczy również sekcjonowania w płaszczyźnie poziomej: apertura może działać jako filtr przestrzenny, przepuszczając tylko światło z ograniczonego obszaru i w określonym zakresie kątów.

W tej wersji demonstracyjnej MicroLens przysłona pełni podobną funkcję jak apertura w mikroskopie konfokalnym: narzuca ścisłe warunki akceptacji. Podczas skanowania źródła w bok, w praktyce mierzymy poprzeczną funkcję akceptacji układu optycznego. Zamknięcie przysłony tłumi szumy tła i rozproszone promienie, ale jednocześnie sprawia, że sygnał detektora staje się bardzo wrażliwy na położenie źródła i kąt emisji.

3. Emitują światło w szerszym zakresie kątów.

Następnie sprawimy, że źródło światła będzie emitować promienie w szerszym zakresie kierunków. Kliknij prawym przyciskiem myszy na źródło światła, aby otworzyć edytor źródła (??). Zwiększ kąt rozproszenia Phi, aby światło było emitowane od -90 do +90 stopni, z krokiem 20. Dzięki temu promienie będą emitowane w znacznie większej liczbie kierunków.

Uruchom ponownie symulację. Powinno być widać znacznie więcej promieni, w tym promieni, które rozchodzą się na boki, a także promieni, które wychodzą do góry przez aperturę, jak pokazano na ??. Jeśli ponownie sprawdzisz detector0/detector_efficiency0.csv, zauważysz, że efektywność detektora jest zazwyczaj bardzo niska: większość emitowanego światła nie spełnia warunków geometrycznych niezbędnych do przejścia przez przesłonę i dotarcia do detektora.

Dlaczego efektywne zbieranie światła jest trudne.

Takie zachowanie odzwierciedla ogólny problem występujący w układach optycznych: wprowadzenie przesłon, przegród, ograniczonych rozmiarów detektorów lub ograniczonej apertury numerycznej powoduje wprowadzenie ścisłych warunków akceptacji dotyczących położenia i kąta. Światło emitowane w szerokim zakresie kątów (np. w wyniku rozpraszania, z dyfuzorów, fluorescencji lub z chropowatych powierzchni) jest z natury trudne do efektywnego zbierania bez zastosowania jednej z następujących metod: (i) optyki zbierającej o wysokiej aperturze numerycznej, (ii) detektora o dopasowanej powierzchni efektywnej lub (iii) akceptacji większej ilości światła tła i rozproszonego.

Praktyczne przykłady obejmują systemy obrazowania, które eliminują rozbłyski i odblaski (gdzie rozproszone światło zmniejsza kontrast), systemy mikroskopowe, w których wymienia się siłę sygnału na możliwość uzyskania obrazu w przekroju (w mikroskopie konfokalnym apertura odrzuca światło tła, ale również osłabia sygnał), oraz czujniki umieszczone za szybami lub w obudowach, gdzie wewnętrzne odbicia powodują powstawanie „duchów” na obrazie. Prezentacja MicroLens pozwala zobaczyć te kompromisy: zamykając aperturę, tłumimy światło tła, ale jednocześnie system staje się mniej odporny na zmiany położenia źródła światła i kąta emisji.