Samouczek dotyczący śledzenia promieni (część A): Odbicie od chropowatej powierzchni filmu.

🎯 Cele edukacyjne

Załaduj i uruchom przykładową aplikację wykorzystującą śledzenie promieni w programie OghmaNano.
Zrozum, w jaki sposób światło odbija się od nierównej powierzchni, której właściwości zostały określone na podstawie obrazu uzyskanego za pomocą mikroskopu sił atomowych (AFM).
Analizuj i interpretuj wydajność detektora w zależności od długości fali.

📦 Wymagania wstępne

OghmaNano został zainstalowany i działa.
Podstawowa znajomość interfejsu programu Optical Workbench.

⏱ Szacowany czas

Część A: 5–10 minut.
Część B: 10–15 minut.
Część C: 10–15 minut.
W zależności od tego, ile czasu poświęcisz na zwiedzanie, cały proces zajmie około 30–40 minut.

🧭 Further optics tutorials

Continue learning: background pages, editor guides, and related ray-tracing tutorials in the optics manual:

W tym samouczku wykorzystasz program do śledzenia promieni OghmaNano, aby zbadać, w jaki sposób światło odbija się od chropowatej powierzchni. Chropowatość może reprezentować obraz uzyskany za pomocą mikroskopu sił atomowych (AFM) lub jakąkolwiek inną powierzchnię, której parametry zostały zmierzone eksperymentalnie. Załadujesz demonstracyjną wersję programu „Odbicie od filmu”, uruchomisz symulację śledzenia promieni i przeanalizujesz, jak efektywnie światło jest rejestrowane przez detektor znajdujący się nad filmem.

Krok 1: Otwórz przykładowe pliki dotyczące śledzenia promieni.

Uruchom program OghmaNano z menu Start systemu Windows. W wyświetlonym oknie kliknij opcję „Nowa symulacja”. Spowoduje to otwarcie biblioteki typów urządzeń. Znajdź i kliknij dwukrotnie kategorię „Śledzenie promieni”, jak pokazano na ilustracji ??. Otworzy to folder z przykładami śledzenia promieni (??).

OghmaNano new simulation window with the Ray tracing category highlighted. — Nowe okno symulacji. Kliknij dwukrotnie kategorię „Śledzenie promieni”, aby otworzyć przykładowe projekty wykorzystujące śledzenie promieni.

List of ray-tracing demos including light box, microlens, prism demo, and Reflection from film. — Biblioteka demonstracyjna technologii śledzenia promieni. Wybierz opcję „Odbicie od folii” (zaznaczoną), aby załadować przykład, w którym światło odbija się od chropowatej folii, której właściwości zostały wygenerowane na podstawie obrazu AFM.

Po wyświetleniu odpowiedniego komunikatu wybierz folder, w którym chcesz zapisać symulację. Podobnie jak w przypadku wszystkich symulacji OghmaNano, najlepiej używać lokalnego folderu (np. na dysku C:\), a nie dysku sieciowego lub w chmurze. Więcej informacji na temat szybkości symulacji można znaleźć tutaj.

Krok 2: Sprawdź stan folii i detektora.

Po wybraniu opcji „Reflection” (odbicie) dla filmu otwiera się główne okno programu Optical Workbench i wyświetla trójwymiarową scenę (??). Czerwona powierzchnia reprezentuje chropowatą powierzchnię filmu (na przykład mapę wysokości uzyskaną za pomocą mikroskopii sił atomowych), zielone strzałki oznaczają źródła światła, a fioletowa siatka znajdująca się nad filmem to detektor optyczny – koncepcyjnie przypominający matrycę CCD.

Możesz poruszać się po widoku 3D za pomocą myszy:

Lewy przycisk myszy: obracaj widok.
Prawy przycisk myszy: przesuwanie widoku.
Kółko myszy: powiększanie i pomniejszanie obrazu.

Overall view of the rough film, light sources, and detector grid in the Optical Workbench. — Pierwszy widok odbicia z wersji demonstracyjnej filmu. Szorstka, czerwona powierzchnia to film, fioletowa siatka to płaszczyzna detektora, a zielone strzałki wskazują położenie i kierunek źródeł światła.

Zoomed-in view of the light sources just above the rough film. — Zbliżenie na źródła światła. Obracając i powiększając obraz, można dokładnie przyjrzeć się, jak źródła są umieszczone w stosunku do surowej taśmy filmowej.

Krok 3: Uruchom symulację śledzenia promieni.

Aby uruchomić symulację, kliknij przycisk. Uruchom symulację. przycisk (niebieska ikona odtwarzania) na pasku narzędzi lub naciśnij. F9OghmaNano będzie śledzić wiele promieni wychodzących ze źródeł, odbijając i załamując je zgodnie z lokalną normalną powierzchni warstwy. W trakcie symulacji główny widok będzie aktualizowany, aby pokazywać ścieżki promieni.??).

Rays traced from the sources towards the rough film and detector plane. — Przykład wyniku śledzenia promieni dla chropowatej warstwy. Promienie wychodzą z zielonego obszaru źródłowego, oddziałują z chropowatą, czerwoną powierzchnią i są częściowo rejestrowane przez fioletową siatkę detektorów znajdującą się nad warstwą.

Krok 4: Przetestuj różne długości fal.

W module „Długości fal” w pasku narzędzi „Optyka” można wybrać, która długość fali jest aktualnie wyświetlana w widoku 3D. Wybierz długość fali z rozwijanej listy, jak pokazano na ilustracji ??. Nie powoduje to ponownego uruchomienia symulacji – pełne spektrum jest obliczane z góry – ale pozwala kontrolować, która część wiązek jest wyświetlana.

Optical ribbon with the wavelength selection widget highlighted. — Wybór długości fali w module „Taśma optyczna”. Skorzystaj z tego menu rozwijanego, aby zobaczyć, jak promienie o różnych długościach fali rozchodzą się i odbijają od chropowatej powierzchni filmu.

Wypróbuj kilka długości fal i obserwuj, jak zmienia się gęstość promieniowania na detektorze. W dalszych częściach instrukcji dowiesz się, jak to zjawisko wiąże się z interferencją, rozpraszaniem i absorpcją w warstwie.

Krok 5: Sprawdź wyniki odczytu z detektora.

Po zakończeniu śledzenia promieni przejdź do zakładki „Wyniki”, aby wyświetlić pliki zapisane na dysku (??). Zobaczysz różne pliki zawierające informacje o promieniach i reakcjach detektorów. Najważniejszy w kontekście tego samouczka jest katalog „detector0”, który zawiera dane zarejestrowane przez fioletową płaszczyznę detektora.

Output tab showing files such as detector0, rays.csv, and other ray-tracing outputs. — Zakładka „Wyniki” dla demonstracyjnej wersji programu „Odbicia w filmie”. Folder `detector0` zawiera dane dotyczące odpowiedzi detektora; pozostałe pliki opisują poszczególne promienie i rozkłady kątowe.

Kliknij dwukrotnie folder detector0, a następnie otwórz plik detector_efficiency0.csv. W tym pliku przechowywane są dane dotyczące udziału energii świetlnej docierającej do detektora w zależności od długości fali. Po otwarciu pliku narzędzie do tworzenia wykresów OghmaNano wyświetli widmo podobne do ??.

Detector efficiency versus wavelength plotted from detector_efficiency0.csv. — Przykładowy wykres efektywności detektora, uzyskany na podstawie danych z `detector_efficiency0.csv`. Oś pionowa przedstawia udział światła, które dociera do detektora. Gdy promień opuszcza źródło, jego intensywność wynosi 1; tłumienie i rozpraszanie przez chropowatą warstwę zmniejszają tę wartość, zanim dotrze on do detektora. W tym przykładzie bardzo niewiele światła jest wykrywane przy dużych długościach fal, natomiast krótsze długości fal są rejestrowane bardziej efektywnie. (Obecnie na osi poziomej wyświetlane są metry, ale należy ją interpretować jako długość fali w nanometrach).

Porównując krzywą efektywności detektora z wizualizacją promieni o różnych długościach fal, można lepiej zrozumieć, w jaki sposób chropowatość powierzchni, rozpraszanie i rozkład kątowy wpływają na wykrywany sygnał.

Pliki wynikowe z przeprowadzonej symulacji.

Każda symulacja śledzenia promieni generuje zestaw plików, które zawierają informacje o geometrii, poszczególnych promieniach oraz reakcji detektorów. Większość z tych plików to zwykłe pliki .csv, które można otwierać w wbudowanych przeglądarkach programu OghmaNano lub analizować za pomocą zewnętrznych narzędzi, takich jak Python, Matlab lub Excel. Najważniejsze wyniki symulacji „Odbicie od warstwy” przedstawiono w tabeli 1.

Table 1: Selected files produced by the ray-tracing simulation
Plik lub folder	Opis
pliki.csv	Lista prześledzonych promieni (położenia, kierunki, długości fal i natężenia).
ray_trace/	Dodatkowe narzędzia diagnostyczne i statystyki oparte na śledzeniu promieni.
detektor0/efektywność_detektora0.csv	Wydajność detektora w zależności od długości fali (patrz ??).
detektor0/dane_wejściowe_detektora0.csv	Całkowita ilość światła padającego na powierzchnię detektora w zależności od długości fali.
RAY_obraz.csv	Graficzne przedstawienie promieni na płaszczyźnie detektora.
plik device.csv	Geometryczna charakterystyka chropowatej powierzchni warstwy i detektora.

👉 Następny krok: przejdź do sekcji Część B, aby dowiedzieć się, jak modyfikować chropowatą powierzchnię, regulować źródła światła i przeprowadzać testy parametrów. Ogólne informacje o systemach optycznych i symulacjach śledzenia promieni znajdują się w sekcji Systemy optyczne i przegląd symulacji śledzenia promieni.