Tutorial de Ray-tracing (Parte A): Reflexão a partir de um Filme Rugoso

🎯 Objetivos de aprendizagem

Carregar e executar uma demonstração de ray-tracing no OghmaNano.
Entender como a luz se reflete a partir de um filme rugoso derivado de uma imagem de AFM.
Visualizar e interpretar a eficiência do detector em função do comprimento de onda.

📦 Pré-requisitos

OghmaNano instalado e funcionando.
Familiaridade básica com a interface do Optical Workbench.

⏱ Tempo estimado

Parte A: 5–10 min
Parte B: 10–15 min
Parte C: 10–15 min
No total, cerca de 30–40 min, dependendo de quanto você explorar.

🧭 Further optics tutorials

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Neste tutorial, você usará o ray tracer do OghmaNano para estudar como a luz se reflete a partir de um filme rugoso. A rugosidade pode representar uma imagem de AFM ou qualquer outra superfície medida experimentalmente. Você carregará a demonstração Reflection from film, executará uma simulação de ray-tracing e examinará com que eficiência a luz é capturada por um detector acima do filme.

Passo 1: Abrir os exemplos de ray-tracing

Inicie o OghmaNano a partir do menu Iniciar do Windows. Na janela inicial, clique em New simulation. Isso abre a biblioteca de tipos de dispositivo. Localize e dê um duplo clique na categoria Ray tracing, como mostrado em ??. Isso abrirá a pasta de demonstrações de ray-tracing (??).

OghmaNano new simulation window with the Ray tracing category highlighted. — A janela *New simulation*. Dê um duplo clique na categoria **Ray tracing** para abrir os projetos de exemplo de ray-tracing.

List of ray-tracing demos including light box, microlens, prism demo, and Reflection from film. — A biblioteca de demonstrações de ray-tracing. Selecione **Reflection from film** (destacado) para carregar o exemplo em que a luz se reflete a partir de um filme rugoso derivado de uma imagem de AFM.

Quando solicitado, escolha um diretório onde a simulação deve ser salva. Como em todas as simulações do OghmaNano, é melhor usar uma pasta local (por exemplo em C:\) em vez de uma unidade de rede ou na nuvem. Você pode ler mais sobre velocidade de simulação aqui.

Passo 2: Inspecionar o filme e o detector

Após selecionar Reflection from film, a janela principal do Optical Workbench é aberta e mostra a cena 3D (??). A superfície vermelha representa o filme rugoso (por exemplo, um mapa de altura de AFM), as setas verdes são as fontes de luz e a grade roxa acima do filme é o detector óptico – conceitualmente semelhante a uma câmera CCD.

Você pode navegar pela visualização 3D usando o mouse:

Botão esquerdo do mouse: girar a cena.
Botão direito do mouse: deslocar a visualização.
Roda do mouse: ampliar e reduzir.

Overall view of the rough film, light sources, and detector grid in the Optical Workbench. — Visualização inicial da demonstração *Reflection from film*. A superfície vermelha rugosa é o filme, a malha roxa é o plano do detector e as setas verdes indicam as posições e direções das fontes de luz.

Zoomed-in view of the light sources just above the rough film. — Visualização ampliada das fontes de luz. Ao girar e ampliar a câmera, você pode inspecionar de perto como as fontes estão posicionadas em relação ao filme rugoso.

Passo 3: Executar a simulação de ray-tracing

Para iniciar a simulação, clique no botão Run simulation (ícone azul de reprodução) na barra de ferramentas ou pressione F9. OghmaNano traçará muitos raios a partir das fontes, refletindo-os e refratando-os de acordo com a normal local da superfície do filme. À medida que a simulação é executada, a visualização principal será atualizada para mostrar os trajetos dos raios (??).

Rays traced from the sources towards the rough film and detector plane. — Exemplo do resultado de ray-tracing para o filme rugoso. Os raios se originam na região verde da fonte, interagem com a superfície vermelha rugosa e são parcialmente capturados pela grade roxa do detector acima do filme.

Passo 4: Explorar diferentes comprimentos de onda

O widget Wavelengths na faixa Optical permite escolher qual comprimento de onda está sendo visualizado no momento na visualização 3D. Selecione um comprimento de onda na caixa suspensa, como mostrado em ??. Isso não executa novamente a simulação – o espectro completo é pré-computado – mas controla qual subconjunto de raios é exibido.

Optical ribbon with the wavelength selection widget highlighted. — Seleção de comprimento de onda na faixa Optical. Use este menu suspenso para visualizar como raios em diferentes comprimentos de onda se propagam e se refletem a partir do filme rugoso.

Experimente alguns comprimentos de onda e observe como a densidade de raios no detector muda. Nas partes posteriores do tutorial, você verá como isso se relaciona com interferência, espalhamento e absorção no filme.

Passo 5: Visualizar a saída do detector

Quando o ray tracing estiver concluído, mude para a aba Output para visualizar os arquivos gravados em disco (??). Você verá uma variedade de arquivos que descrevem os raios e as respostas do detector. O mais relevante para este tutorial é o diretório detector0, que contém os dados registrados pelo plano do detector roxo.

Output tab showing files such as detector0, rays.csv, and other ray-tracing outputs. — A aba *Output* da demonstração *Reflection from film*. A pasta `detector0` contém a resposta do plano do detector; outros arquivos descrevem os raios individuais e as distribuições angulares.

Dê um duplo clique na pasta detector0 e depois abra o arquivo detector_efficiency0.csv. Este arquivo armazena a fração da energia luminosa que chega ao detector em função do comprimento de onda. Quando você o abrir, a ferramenta de plotagem do OghmaNano mostrará um espectro semelhante a ??.

Detector efficiency versus wavelength plotted from detector_efficiency0.csv. — Exemplo de espectro de eficiência do detector derivado de `detector_efficiency0.csv`. O eixo vertical mostra a fração de luz que alcança o detector. Quando um raio deixa a fonte, ele tem intensidade 1; a atenuação e o espalhamento pelo filme rugoso reduzem esse valor antes de ele atingir o detector. Neste exemplo, quase nenhuma luz é detectada em comprimentos de onda longos, enquanto comprimentos de onda mais curtos são capturados com maior eficiência. (O rótulo do eixo atualmente mostra metros, mas o eixo horizontal deve ser interpretado como comprimento de onda em nanômetros.)

Ao comparar a curva de eficiência do detector com os raios visualizados em diferentes comprimentos de onda, você pode desenvolver uma intuição de como a rugosidade da superfície, o espalhamento e a distribuição angular afetam o sinal detectado.

Os arquivos de saída da sua simulação

Cada simulação de ray-tracing gera uma coleção de arquivos que descrevem a geometria, os raios individuais e a resposta de quaisquer detectores. A maioria deles são arquivos simples .csv que podem ser abertos nos visualizadores integrados do OghmaNano ou analisados em ferramentas externas como Python, Matlab ou Excel. As principais saídas da demonstração Reflection from film estão resumidas na Tabela 1.

Tabela 1: Arquivos selecionados produzidos pela simulação de ray-tracing
Arquivo ou pasta	Descrição
rays.csv	Lista de raios traçados (posições, direções, comprimentos de onda e intensidades).
ray_trace/	Diagnósticos e estatísticas adicionais de ray-trace.
detector0/detector_efficiency0.csv	Eficiência do detector versus comprimento de onda (veja ??).
detector0/detector_input0.csv	Luz total incidente no plano do detector versus comprimento de onda.
RAY_image.csv	Representação do tipo imagem dos raios no plano do detector.
device.csv	Descrição geométrica do filme rugoso e das superfícies do detector.

👉 Próximo passo: Continue para Parte B para aprender como modificar a superfície rugosa, ajustar as fontes de luz e executar varreduras de parâmetros.