Samouczek dotyczący śledzenia promieni (część C): Demo MicroLens – projektowanie kształtów (rozkład Gaussa i sfery)

W części B wykorzystaliśmy przysłonę jako silny filtr przestrzenny/kątowy i zaobserwowaliśmy, jak bardzo wrażliwy może być detektor. W tej ostatniej części zmieniamy geometrię samych elementów mikrosoczewki. Celem nie jest „optymalizacja” soczewki, lecz rozwijanie intuicji: kształt powierzchni kontroluje rozkład kątowy promieni, a to bezpośrednio wpływa na to, ile światła detektor może przyjąć przez ograniczoną przysłonę.

1. Zmiana kształtu soczewek

Kliknij prawym przyciskiem myszy na obiekcie mikrosoczewki w widoku 3D i wybierz opcję „Edytor siatki” (??). Spowoduje to otwarcie okna edytora siatki mikrosoczewki (??), w którym można zmienić geometrię, wybierając inny kształt z bazy danych.

W edytorze siatki zmień kształt źródła światła w bazie danych z domyślnej kopuły na rozkład Gaussa, a następnie uruchom ponownie symulację. Otrzymany wynik powinien być zbliżony do ??. Zwróć uwagę, jak zmienia się wiązka promieni: rozkład Gaussa ma tendencję do rozpraszania promieni w inny sposób, a w tej konkretnej konfiguracji często można zaobserwować, że przez otwór detektora przechodzi mniej światła. Jest to efekt geometryczny: detektor może przyjmować promienie tylko w określonym zakresie pozycji/kąta, więc każda zmiana, która zwiększa rozbieżność (lub przesuwa promienie w bok), zmniejsza zakres akceptacji.

Następnie spróbuj zastosować bardziej radykalną geometrię. W edytorze siatki zmień obiekt mikrosoczewki na kulki, wybierając ikonę kuli i ponawiając/uruchamiając symulację. Wynik można zobaczyć na ??. W porównaniu z gładką powierzchnią soczewki, elementy sferyczne zachowują się bardziej jak elementy o silnej krzywiźnie, które wprowadzają szerszy zakres kątów promieni, co może znacznie zwiększyć rozproszenie promieni na boki i liczbę niepożądanych ścieżek.

Jakie wnioski można wyciągnąć z analizy rozkładu Gaussa i sfer?

Najważniejsza lekcja płynąca z tego wynika, że „efektywność emisji” nie zależy tylko od tego, ile światła opuszcza daną powierzchnię, ale także od tego, dokąd to światło się kieruje. W tych scenach detektor nie jest nieskończoną półsferą: znajduje się za ograniczonym otworem, więc tylko określona część kątów promieniowania jest użyteczna. Powierzchnia, która emituje skoncentrowaną wiązkę światła wzdłuż osi, może wydawać się „jasna” dla detektora, nawet jeśli całkowita moc emitowanego światła jest podobna, ponieważ odpowiada to zakresowi akceptacji systemu.

Rozkład krzywizny powierzchni w kształcie Gaussa ma tendencję do złagodzenia w porównaniu z prostą kopułą, co może wpływać na lokalne kąty załamania światła w danym obszarze. W zależności od geometrii, może to prowadzić do zwiększenia rozbieżności, przesunięcia ogniskowania lub zmiany miejsca, w którym promienie przechodzą przez płaszczyznę apertury. Ostateczny efekt to często spadek mocy, którą można przyjąć: liczba promieni jest większa, ale mniejsza liczba z nich pada w małe okno przestrzeni fazowej, które może zarejestrować detektor. Innymi słowy, zmodyfikowano dopasowanie etendue między źródłem, mikrosoczewką i detektorem.

Obudowa zawierająca elementy kuliste jest celowo zaprojektowana tak, aby nie posiadała właściwości optycznych w klasycznym sensie: wprowadza ona duże zakrzywienie i liczne możliwości wystrzeliwania promieni pod dużymi kątami. To sprzyja powstawaniu większej liczby niepożądanych ścieżek światła i rozproszeniu promieni, co jest dokładnie tym zjawiskiem, którego prawdziwi projektanci układów optycznych starają się uniknąć, stosując gładkie powierzchnie, precyzyjne rozmieszczenie przesłon i elementy ograniczające rozproszenie. Jest to przydatny test obciążeniowy: jeśli sygnał z detektora osłabia się po wprowadzeniu elementów kulistych, oznacza to, że system ma ograniczoną akceptację i jest bardzo wrażliwy na rozproszenie kątowe.

W praktyce właśnie dlatego układy mikrosoczewek w systemach obrazowania są projektowane z uwzględnieniem konkretnej konfiguracji sensorów i geometrii przysłony: nie projektuje się „pojedynczej soczewki”, lecz raczej układ, który przekształca rozkład źródła światła, dostosowując go do możliwości optyki znajdującej się dalej w systemie. Celem tej demonstracji jest pokazanie, że OghmaNano umożliwia wizualną analizę tego odwzorowania, zanim zostaną podjęte ostateczne decyzje dotyczące parametrów lub procesu optymalizacji.