Detectores ópticos

1. Introdução

No OghmaNano, detectores ópticos são usados para medir a luz à medida que ela se propaga através de um sistema óptico. Os detectores são definidos usando o Editor de Detectores Ópticos, que pode ser aberto a partir da faixa de opções Optical na janela principal (veja Figura ??).

Abrindo o Editor de Detectores Ópticos a partir da faixa de opções Optical.

O Editor de Detectores Ópticos é mostrado em ??. Um detector óptico no OghmaNano é uma superfície bidimensional colocada em qualquer lugar do domínio de simulação. Conceitualmente, ele se comporta como uma câmera CCD idealizada: conta os fótons que passam por ele e registra sua distribuição espectral e espacial.

Os detectores não absorvem, refletem nem espalham luz. Eles são matematicamente transparentes e não perturbam o campo óptico. Raios, ondas ou fótons atravessam o detector sem modificação; o detector simplesmente registra o que cruza sua superfície.

Editor de Detectores Ópticos do OghmaNano mostrando opções de configuração do detector — O painel de configuração do Editor de Detectores Ópticos.

Menu de clique com o botão direito na cena 3D mostrando a opção New Detector — Criando um novo detector diretamente na cena 3D por meio de clique com o botão direito.

2. Geometria e resolução do detector

Um detector é definido por sua posição, orientação e tamanho lateral (\(dx\) e \(dy\)). A espessura \(dz\) é irrelevante, pois o detector é tratado como uma superfície puramente bidimensional. O detector pode ser rotacionado em torno dos eixos \(x\), \(y\) e \(z\), permitindo que fique voltado em qualquer direção. Isso torna possível capturar luz transmitida, refletida ou que escapa em geometrias arbitrárias. Os detectores também podem ser reposicionados interativamente arrastando-os dentro da cena 3D.

Na seção Detector do painel de configuração, os parâmetros Mesh points x e Mesh points y definem o número de bins espaciais usados na superfície do detector. Eles correspondem diretamente ao número de pixels em um sensor CCD, controlando a resolução espacial dos dados registrados. Vários detectores podem ser colocados em uma única simulação. Cada detector opera independentemente e produz seu próprio conjunto de arquivos de saída.

3. Exemplos de detectores

Detector medindo luz escapando de um sistema óptico — Um detector colocado após um sistema óptico para medir a luz que escapa. O detector fornece um registro da radiação transmitida resolvido espacial e espectralmente.

Detector capturando luz emitida pela parte superior de um LEFET — Detector medindo a luz emitida pela superfície superior de um transistor de efeito de campo emissor de luz (LEFET).

4. Saídas

Quando você abre a pasta de saída de um detector, normalmente verá quatro arquivos (veja Figura ??): detector_abs0.csv, detector_efficiency0.csv, detector_input0.csv e RAY_image.csv. Juntos, eles descrevem (i) a distribuição espacial da luz detectada e (ii) a transmissão espectral da fonte ao detector.

Saída do detector mostrada como um ícone semelhante a CCD no navegador de saídas — Saída do detector representada como um ícone semelhante a CCD no navegador de saídas.

Saídas detalhadas do detector incluindo imagens espaciais e espectros — Saídas detalhadas geradas a partir da luz que passa pelo detector.

RAY_image.csv é uma imagem resolvida espacialmente do que o detector recebe (conceitualmente um quadro CCD). No modo ray-tracing, ela geralmente é gerada traçando três comprimentos de onda representativos (nominalmente “R”, “G” e “B”) e mapeando-os diretamente para uma imagem RGB. Em fluxos de trabalho sem ray-tracing, ou quando você traça um conjunto mais amplo de comprimentos de onda, OghmaNano converte o espectro detectado em RGB exibível usando funções padrão de resposta visual humana (portanto, a cor é uma estimativa de aparência do que um olho veria, em vez de uma renderização literal de três comprimentos de onda). Na prática, para espectros EL/PL você deve traçar muitos comprimentos de onda; RGB de três cores serve para visualização óptica rápida, mas é muito esparso para espectros de emissão.

Os três arquivos restantes formam uma cadeia simples “entrada → detectado → eficiência”:

detector_abs0.csv (??): o espectro de fonte disponível que poderia, em princípio, ter alcançado o detector. Esta é a distribuição de raios/fótons emitidos versus comprimento de onda antes que a geometria e a absorção decidam o que realmente chega.
detector_input0.csv (??): o espectro de raios/fótons que realmente atingem e atravessam a superfície do detector (reportado como contagens). A absorção do material e o clipping modificam isso. No exemplo mostrado, o vidro remove a parte UV do espectro, produzindo uma redução acentuada em comprimentos de onda curtos.
detector_efficiency0.csv (??): a probabilidade de detecção (percentual) versus comprimento de onda, calculada como \[ \eta(\lambda)=100\times\frac{I_{\text{det}}(\lambda)}{I_{\text{avail}}(\lambda)} =100\times\frac{\texttt{detector_input0.csv}}{\texttt{detector_abs0.csv}}. \] Interpretado fisicamente: se um raio/fóton é emitido no comprimento de onda \(\lambda\), qual fração dessas emissões termina cruzando o detector?

Imagem renderizada do detector (resolvida espacialmente) gerada a partir de RAY_image.csv — Imagem do detector resolvida espacialmente (de `RAY_image.csv`).

Histograma de entrada do detector mostrando o espectro emitido disponível que poderia ter atingido o detector — Espectro disponível que poderia ter atingido o detector (de `detector_abs0.csv`).

Contagens de luz detectada versus comprimento de onda de detector_input0.csv — Espectro de luz detectada em contagens (de `detector_input0.csv`).

Eficiência de detecção versus comprimento de onda calculada a partir de detector_input0.csv dividido por detector_abs0.csv — Eficiência de detecção \(\eta(\lambda)\) em porcentagem (de `detector_efficiency0.csv`).