Оптичні датчики

1. Вступ

У OghmaNano оптичні детектори використовуються для вимірювання світла під час його поширення в оптичній системі. Детектори визначаються за допомогою редактора «Оптичні детектори», який можна відкрити на панелі інструментів «Оптика» в головному вікні (див. рисунок ??).

Відкрийте редактор оптичних датчиків на стрічці інструментів «Оптика».

Редактор оптичних детекторів показано на ??. Оптичний детектор в OghmaNano – це двовимірна поверхня, розміщена в будь-якій точці області моделювання. За своєю функціональністю він нагадує ідеалізовану CCD-камеру: він підраховує фотони, що проходять крізь нього, і фіксує їх спектральний і просторовий розподіл.

Детектори не поглинають, не відбивають і не розсіюють світло. Вони математично прозорі та не впливають на оптичне поле. Промені, хвилі або фотони проходять крізь детектор без змін; детектор просто фіксує те, що проходить через його поверхню.

OghmaNano Optical Detectors Editor showing detector configuration options — Панель налаштувань редактора оптичних датчиків.

Right-click menu in the 3D scene showing New Detector option — Створення нового детектора безпосередньо на основі тривимірної сцени за допомогою клацання правою кнопкою миші.

2. Геометрія та роздільна здатність детектора

Детектор визначається його положенням, орієнтацією та розмірами в поперечному перерізі (\(dx\) і \(dy\)). Товщина \(dz\) не має значення, оскільки детектор розглядається як суто двовимірна поверхня. Детектор можна обертати навколо осей \(x\), \(y\) і \(z\), що дозволяє йому бути орієнтованим у будь-якому напрямку. Це дає змогу фіксувати передане, відбите або розсіяне світло в довільній геометрії. Детектори також можна переміщувати в інтерактивному режимі, перетягуючи їх у тривимірній сцені.

У розділі «Детектор» панелі налаштувань параметри «Кількість точок сітки по осі X» та «Кількість точок сітки по осі Y» визначають кількість просторових комірок, які використовуються на всій поверхні детектора. Ці параметри безпосередньо відповідають кількості пікселів у ПЗЗ-сенсорі та контролюють просторову роздільну здатність записаних даних. У рамках одного моделювання можна розмістити кілька детекторів. Кожен детектор працює незалежно та генерує власний набір вихідних файлів.

3. Приклади детекторів

Detector measuring light escaping from an optical system — Детектор, розміщений після оптичної системи, призначений для вимірювання розсіяного світла. Цей детектор забезпечує просторово та спектрально роздільну реєстрацію променевого потоку.

Detector capturing light emitted from the top of a LEFET — Детектор, який вимірює світло, що випромінюється верхньою поверхнею світлодіодного польового транзистора (LEFET).

4. Результати

Коли ви відкриваєте папку з результатами роботи детектора, зазвичай ви побачите чотири файли (див. рисунок ??): detector_abs0.csv, detector_efficiency0.csv, detector_input0.csv і RAY_image.csv. Разом вони описують (i) просторовий розподіл випромінювання, яке було зафіксовано, і (ii) спектральну пропускну здатність від джерела до детектора.

Detector output shown as a CCD-like icon in the output browser — Вихідні дані детектора відображаються у вигляді піктограми, що нагадує ПЗЗ-матрицю, у вікні перегляду результатів.

Detailed detector outputs including spatial images and spectra — Детальні дані, отримані в результаті проходження світла через детектор.

RAY_image.csv – це просторово розділена імітажна картина того, що отримує детектор (умовно кажучи, кадр ПЗЗ-матриці). У режимі трасування променів вона зазвичай генерується шляхом відстеження трьох репрезентативних довжин хвиль (номінально «R», «G» і «B») і безпосереднього відображення їх на RGB-зображення. У робочих процесах, які не передбачають трасування променів, або коли відстежується ширший набір довжин хвиль, OghmaNano перетворює виявлений спектр на RGB-зображення, яке можна відобразити, використовуючи стандартні функції кольорової чутливості людського зору (тобто колір є лише візуальною оцінкою того, що побачило б око, а не буквальним відображенням трьох довжин хвиль). На практиці, для спектрів EL/PL слід відстежувати багато довжин хвиль; триколірний RGB-формат підходить для швидкої візуалізації оптики, але він недостатньо детальний для спектрів випромінювання.

Решта три файли утворюють просту послідовність: «вхідні дані → виявлено → ефективність»:

detector_abs0.csv (??): наявний спектр джерела, який, теоретично, міг досягти детектора. Це розподіл випромінюваних променів/фотонів за довжиною хвилі до того, як геометрія та поглинання визначать, що саме досягне детектора.
detector_input0.csv (??): спектр променів/фотонів, які фактично досягають поверхні детектора та проходять крізь неї (реєструються у вигляді кількості). Поглинання матеріалом і обрізання змінюють цей спектр. На прикладі, що наведено, скло поглинає ультрафіолетову частину спектра, що призводить до різкого зменшення інтенсивності на коротких довжинах хвиль.
detector_efficiency0.csv (??): ймовірність виявлення (у відсотках) в залежності від довжини хвилі, обчислена за формулою \[ \eta(\lambda)=100\times\frac{I_{\text{det}}(\lambda)}{I_{\text{avail}}(\lambda)} =100\times\frac{\texttt{detector_input0.csv}}{\texttt{detector_abs0.csv}}. \]. Фізична інтерпретація: якщо промінь/фотон випромінюється на довжині хвилі \(\lambda\), яка частка цих випромінювань досягає детектора?

Rendered detector image (spatially resolved) generated from RAY_image.csv — Зображення, отримане за допомогою просторово-роздільної здатності детектора (з `RAY_image.csv`).

Detector input histogram showing available emitted spectrum that could have hit the detector — Діапазон частот, який міг досягти детектора (згідно з `detector_abs0.csv`).

Detected light counts versus wavelength from detector_input0.csv — Визначено спектр випромінювання у відносних одиницях (від `detector_input0.csv`).

Detection efficiency versus wavelength computed from detector_input0.csv divided by detector_abs0.csv — Ефективність виявлення \(\eta(\lambda)\) у відсотках (згідно з `detector_efficiency0.csv`).