Оптичні джерела світла та спектри освітлення

1. Вступ

У OghmaNano джерела світла використовуються для визначення спектрів освітлення, які використовуються в оптичному моделюванні. Будь-яка вхідна оптична потужність, незалежно від того, чи походить вона від сонячного світла, лазера, лампи або визначеного користувачем спектра, вводиться в модель через джерело світла. Наприклад, стандартний сонячний спектр AM1.5G, монохроматичний лазер або виміряний експериментальний спектр можуть бути представлені за допомогою редактора джерел світла.

Система джерел світла використовується всіма оптичними розв’язувачами в OghmaNano, що забезпечує узгоджений спосіб визначення умов освітлення незалежно від використовуваного методу моделювання. Таким чином, одні й ті самі визначення джерел світла можуть бути застосовані до моделювання за допомогою матриці передачі, моделювання методом скінченних різниць у часовій області (FDTD) та моделювання методом трасування променів. Це гарантує, що різні оптичні моделі можна безпосередньо порівнювати за однакових умов освітлення.

На цій сторінці пояснюється, як створювати, об’єднувати та налаштовувати джерела світла, застосовувати оптичні фільтри та контролювати напрямок і просторове розташування освітлення в OghmaNano.

2. Відкриття редактора джерела світла

Редактор джерел світла відкривається за допомогою вкладки «Оптика» в головному вікні (див. рисунок ??). Після відкриття він має вигляд, показаний на ??. Джерело світла в OghmaNano визначається його спектром випромінювання. Наприклад, ви можете налаштувати джерело для випромінювання стандартного спектра AM1.5G. Потім можна об’єднати кілька спектрів на вкладці «Джерело світла». Це дозволяє накладати різні спектри, наприклад, спектр освітлення AM1.5G разом із випромінюванням люмінесцентної лампи. Відносну інтенсивність кожного джерела можна встановити за допомогою стовпця «Множник», який регулює внесок кожного спектра.

Оптичні фільтри, якими можна керувати на вкладці «Фільтри» (??), застосовуються до об’єднаного спектра, а не до окремих джерел світла. Фільтри представляють собою матеріали, які поглинають або блокують певні діапазони довжин хвиль — наприклад, вони можуть імітувати товстий шар скла, який блокує сонячне світло з довжиною хвилі менше 300 нм. Їх можна вмикати або вимикати за допомогою перемикача «Увімкнути», вибирати матеріал і вказувати ступінь послаблення в децибелах.

3. Орієнтація джерела світла

У OghmaNano кожне джерело світла можна налаштувати таким чином, щоб воно освітлювало модель з певного напрямку або з довільної точки у тривимірному просторі. Доступні напрямки джерел: зверху (y0), знизу (y1), зліва (x0), справа (x1), спереду (z0), ззаду (z1) та довільна позиція xyz. Приклади конфігурацій джерел наведено на рисунках ??, ??, ?? та ??.

Обрана орієнтація джерела світла автоматично передається до оптичного розв’язувача, який використовується. OghmaNano використовує єдину структуру джерела світла для всіх розв’язувачів, зокрема метод передаточної матриці, FDTD та трасування променів, що дозволяє повторно використовувати одні й ті самі умови освітлення в різних методах оптичного моделювання.

• Верхня межа (y0): світло проникає через верхню межу області моделювання. Це найпоширеніша конфігурація для моделювання сонячних батарей, і її часто використовують разом із методом матриці передачі. Приклад наведено в ??.
• Нижня межа (y1): світло проникає через нижню межу області моделювання. Ця конфігурація зазвичай використовується під час моделювання освітлення через підкладку або під час моделювання двосторонніх пристроїв. Приклад наведено в ??.
• Ліворуч (x0) і праворуч (x1): світло потрапляє через ліву або праву межу області моделювання. Ці типи джерел корисні під час моделювання хвилеводних структур, дифракційних ґраток, пристроїв із бічним з’єднанням і схем бічного освітлення. Приклад бічного освітлення показано на ??.
• Передня (z0) та задня (z1) межі: світло проникає через передню або задню z-межі області моделювання. Ці параметри в основному використовуються в тривимірних оптичних моделюваннях, де потрібне освітлення вздовж осі z.
• Положення xyz: джерело світла розміщується в довільній точці всередині тривимірного простору моделювання. Цей режим зазвичай використовується для моделювання методами FDTD та трасування променів, оскільки він забезпечує повний контроль над положенням джерела та геометрією освітлення. Приклад наведено в ??.

Доступні типи джерел залежать від використовуваного оптичного розв’язувача. Для моделювання за допомогою методу передаточних матриць освітлення здійснюється через одну з меж моделювання (x0, x1, y0, y1, z0 або z1). Довільні точкові джерела xyz не підтримуються, оскільки метод передаточних матриць вимагає чітко визначених граничних умов і відомого напрямку поширення. На відміну від цього, як FDTD, так і моделювання простежуванням променів підтримують довільні точкові джерела світла xyz, і зазвичай саме вони є кращим типом джерела для складних тривимірних оптичних систем.

У межах однієї симуляції можна об’єднати кілька джерел світла. Наприклад, пристрій можна одночасно освітлювати зверху (y0) і знизу (y1), щоб змоделювати роботу двосторонньої сонячної батареї. Аналогічно, джерела світла, що надходять з різних напрямків, можна об’єднати для відображення розсіяного освітлення, кількох ламп, відбитого світла або складних експериментальних конфігурацій.

4. Налаштування параметрів джерел світла xyz.

Коли освітлення застосовується через одну з меж моделювання (x0, x1, y0, y1, z0 або z1), OghmaNano передбачає, що джерело є рівномірною площинною хвилею, яка поширюється перпендикулярно до обраної межі. Для багатьох оптичних симуляцій цього достатньо. Однак для більш складних оптичних систем часто необхідно, щоб джерело було розташоване у певному місці всередині області моделювання. Це досягається за допомогою тривимірного джерела світла (xyz).

Джерело світла типу xyz розглядається як стандартний об’єкт OghmaNano і, отже, використовує ті самі елементи керування положенням і геометрією, які застосовуються в усьому середовищі оптичного моделювання. Ці параметри можна знайти на вкладці «Об’єкт» в редакторі джерела світла, як показано на ??. Також можна відкрити те саме вікно безпосередньо з вікна 3D-моделювання, клацнувши правою кнопкою миші на джерелі світла та вибравши «Редагувати об’єкт».

Параметри об’єкта визначають положення, розмір і орієнтацію поверхні, що випромінює світло. Значення параметра «Зсув» визначають координати x, y і z джерела, а параметри розміру xyz визначають його фізичні розміри. На практиці джерело світла xyz представляється у вигляді площини, що випромінює світло, з кінцевими розмірами в напрямках x і y та незначною товщиною в напрямку z. Це дає змогу моделювати квадратні або прямокутні джерела освітлення, розташовані в будь-якій точці в межах області моделювання. Параметри обертання можна використовувати для визначення орієнтації площини, що випромінює світло, відносно навколишньої оптичної системи.

Оптичні характеристики випромінювання джерела налаштовуються окремо за допомогою вкладки «Налаштування», показаної на ??. Тут кути θ і φ визначають напрямок поширення, а відповідні параметри сканування (Δθ, Δφ і кількість кроків) дозволяють випромінювати світло в певному діапазоні кутів. У моделюванні простежування променів це можна використовувати для створення конусів, секторів або інших кутових розподілів променів від одного джерела.

Параметр «Форма променя» визначає просторовий розподіл променів на площині випромінювання. Налаштування «Кількість променів по осі X» та «Кількість променів по осі Y» визначають, наскільки щільно відбувається дискретизація джерела. У прикладі, наведеному в ??, сітка променів розміром 50 × 50 генерує 2500 променів, що виходять із площини джерела. Загалом, збільшення щільності променів покращує точність дискретизації, хоча це й потребує додаткового часу на обчислення.

Поєднання довільного позиціювання, геометрії джерела та кутового керування робить джерела світла xyz особливо корисними в задачах трасування променів і FDTD-моделювання. Типові сфери застосування включають моделювання лазерів, світлодіодів, оптичних волокон, світловодів, систем формування зображень та інших оптичних пристроїв, де як розташування, так і схема випромінювання джерела є важливими елементами загальної конструкції.

5. Джерела світла для FDTD-моделювання

На відміну від налаштувань джерела оптичного випромінювання, описаних у попередніх розділах, моделювання методом FDTD вимагає додаткових параметрів джерела, які визначають спосіб введення електромагнітних полів у область моделювання. Ці налаштування доступні на спеціальній вкладці FDTD, показаній на ??.

Джерела світла, що використовують метод FDTD, мають ряд властивостей, які зазвичай не потрібні для моделювання за допомогою методів передаточних матриць або трасування променів. Наприклад, необхідно вказати метод введення сигналу в джерело, тип форми хвилі, амплітуду, фазу, часові характеристики та поляризацію поля. Ці параметри визначають, як джерело взаємодіє з обчислювальною сіткою FDTD і як електромагнітна енергія вводиться в модель.

Оскільки ці налаштування призначені саме для методу скінченних різниць у часовій області, їх не враховують під час виконання обчислень за допомогою матриці передачі, трасування променів або інших оптичних симуляцій. Ця вкладка використовується лише під час виконання симуляції FDTD.

Детальний опис кожного параметра джерела FDTD наведено у відповідній документації щодо джерел світла FDTD. Для отримання вичерпної інформації про методи введення сигналу, форми хвиль, параметри синхронізації та налаштування поляризації див. Джерела світла FDTD.

6. Коефіцієнт, що враховує особливості місцевої місцевості.

Місцевий коефіцієнт видимості поверхні описує, яка частина навколишньої поверхні є видимою з певної точки на пристрої. Він важливий під час моделювання оптичних процесів, які враховують відбите або розсіяне світло від поверхні землі. Іншими словами, він визначає частку поля дифузійного випромінювання, яке походить від поверхні землі під пристроєм.

Фактор визначається як

\[ F_{\text{ground}} = \sin^2\!\left(\frac{\theta_t}{2}\right) = \frac{1 - \cos(\theta_t)}{2}, \]

де \(\theta_t\) – це кут нахилу пристрою відносно горизонтальної площини. Горизонтальний пристрій (\(\theta_t = 0\)) не бачить поверхню, тому \(F_{\text{ground}} = 0\) дорівнює нулю. Вертикальний пристрій (\(\theta_t = 90^\circ\)) має коефіцієнт видимості поверхні 0,5, оскільки половина його розсіяного оточення – це поверхня, а інша половина – небо.

Цей параметр можна налаштувати на вкладці «Налаштування». Зазвичай його використовують у випадках, коли відбите від землі світло (альбедо) суттєво впливає на освітлення, наприклад, у моделюванні сонячних батарей, що використовуються на відкритому повітрі, у фотоелектричних системах, інтегрованих у будівлі, або в пристроях, які піддаються впливу високовідбивних поверхонь, таких як сніг або біла покрівля.

7. Висновок

OghmaNano надає єдину платформу для роботи зі джерелами світла, яка застосовується в обчисленнях за допомогою матриці передачі, трасування променів і FDTD-моделювання. Джерела світла можна використовувати для визначення довільних спектрів освітлення, об’єднання кількох оптичних джерел, застосування оптичних фільтрів, а також для керування положенням, орієнтацією та кутовим розподілом падаючого світла. Ця спільна платформа дозволяє повторно використовувати одні й ті самі умови освітлення в різних оптичних обчислювальних моделях, що спрощує створення та порівняння оптичних симуляцій.

Для отримання детальної інформації, що стосується конкретного розв’язувача, зверніться до документації щодо методів обчислення за допомогою матриці передачі, трасування променів і FDTD-моделювання.