Відтворення зображення у фільмі (частина А): трасування променів від нерівної поверхні.

У прикладі моделювання фільму «Втеча» досліджується випромінювання світла всередині нерівномірного напівпровідникового шару та розраховується, яка частина цього світла виходить через верхню поверхню. Це має значення для багатьох систем, таких як OLED, світлодіоди та інші світловипромінювальні структури, де вихідне випромінювання обмежується повним внутрішнім відбиттям і нерівністю поверхні.

Крок 1: Створіть нову симуляцію трасування променів.

Запустіть OghmaNano та натисніть «Нова симуляція». З’явиться вікно «Нова симуляція», як показано на ??. Двічі клацніть пункт «Трасування променів», виділений на ??.

Крок 2: Перевірте початкову структуру.

Після відкриття прикладу в головному вікні OghmaNano відображається структура пристрою, як показано на ??. Сцена містить:

• Шорсткий напівпровідниковий шар (червоного кольору) зверху.
• Гладкий шар оксиду (сірого кольору) і
• Над пристроєм розташована фіолетова сітка. Ця сітка є оптичним датчиком; будь-який промінь, що проходить крізь неї, фіксується у файлах вихідних даних датчика.

Використовуйте ліву кнопку миші для повороту та коліщатко миші для збільшення, доки не отримаєте зображення, яке показано на ??.

Крок 3: Зробіть видимими вбудовані джерела світла.

За замовчуванням напівпровідник і оксид відображаються як суцільні об’єкти. Щоб побачити, де розташовані джерела світла:

1. Клацніть правою кнопкою миші на об’єкті «Напівпровідник».
2. У контекстному меню виберіть «Вигляд» → «Показувати суцільними лініями» та зніміть позначку.
3. Повторіть те саме для об’єкта «Оксид».

Схема розташування пунктів меню показана на ??. Після вимкнення обох твердих тіл ви повинні побачити хмару маленьких стрілок всередині зображення, як показано на ??. Ці стрілки є джерелами світла для трасування променів.

Кожна стрілка позначає групу променів, що випромінюються з певної точки. Клацнувши правою кнопкою миші на об’єкті, який є джерелом світла, ви зможете пізніше налаштувати кількість променів, кут випромінювання та розмір джерела по осях X і Y. Ми повернемося до цього в частині B.

Крок 4: Запустіть симуляцію трасування променів.

Натисніть кнопку «Запустити моделювання» (синій значок відтворення), щоб запустити трасувальник променів. Через короткий час вікно заповнюється променями, як показано на ??. Промені розсіюються всередині нерівного напівпровідника і або виходять у детектор, або втрачаються в підкладці.

Щоб дослідити, як траєкторії променів залежать від довжини хвилі, перейдіть на вкладку «Оптика». Використовуйте випадаючий список «Довжини хвиль», щоб вибрати певну довжину хвилі, як показано на ??. Тривимірне зображення оновиться, щоб відображати лише промені з обраною довжиною хвилі.

Крок 5: Перегляньте дані, отримані від детектора.

Після завершення моделювання відкрийте вкладку «Результати», щоб переглянути всі файли, створені програмою трасування променів, як показано на ??. Площина детектора, розташована у верхній частині конструкції, має номер 0, тому її результати зберігаються у файлі detector0.

Двічі клацніть detector0, щоб відкрити вікно перегляду даних детектора (??). На цьому графіку показано, скільки світла проходить через детектор залежно від кута, а якщо було змодельовано кілька довжин хвиль, то й залежно від довжини хвилі.

Ефективність детектора та отримані зображення

Графік вихідних даних детектора, показаний на ??, отримують шляхом подвійного клацання по файлу detector_efficiency0.csv на вкладці «Вихідні дані». На цьому графіку відображено частку внутрішньо згенерованого світла, яке досягає детектора, у залежності від довжини хвилі – по суті, це показник ефективності випромінювання. У цьому прикладі майже немає світла, яке випромінюється на довжинах хвиль менше 600 нм, тоді як на більших довжинах хвиль ефективність випромінювання зростає до приблизно 12%.

Значення в межах 10–15 % є цілком прийнятним для тонкої плівки з високим показником заломлення в повітрі. Для приблизної оцінки розглянемо плоский напівпровідниковий шар, що межує з повітрям, з показниками заломлення \(n_{\text{film}}\) і \(n_{\text{air}}\). Відбиття Френеля при нормальному падінні променя становить:

\( R = \left(\dfrac{n_{\text{film}} - n_{\text{air}}}{n_{\text{film}} + n_{\text{air}}}\right)^2. \)

Розглянувши типовий напівпровідник або оксидний матеріал з показниками заломлення \(n_{\text{film}} \approx 1.8\) і \(n_{\text{air}} = 1.0\), ми отримуємо \( R \approx 0.08 \) (приблизно 8 % відбиття при нормальному падінні променя), отже, коефіцієнт пропускання становить \(1-R \approx 0.92\). Однак, світло, що генерується всередині плівки, може виходити лише в межах конуса виходу, визначеного критичним кутом \( \theta_c = \arcsin\!\bigl(n_{\text{air}}/n_{\text{film}}\bigr) \approx 34^\circ \). Для ізотропного випромінювання всередині плівки, частка потужності, яка потрапляє в цей конус, становить

\( f_{\text{cone}} = 1 - \cos\theta_c \approx 1 - \cos(34^\circ) \approx 0.17. \)

Перемноження коефіцієнтів передачі та коефіцієнтів виходу дає приблизну оцінку ефективності випромінювання.

\( \eta_{\text{out}} \approx (1-R)\,f_{\text{cone}} \approx 0.92 \times 0.17 \approx 0.16 \; (16\%). \)

Якщо врахувати додаткові втрати та розсіювання, то ефективність випромінювання, що становить близько 12 %, як показано в detector_efficiency0.csv, є цілком прийнятною для цього типу конструкції.

Якщо ви двічі клацнете RAY_image.csv в тій самій папці, OghmaNano відкриє відтворене зображення того, що ви б побачили, дивлячись на плівку, яке відображається у вікні ??. Це обчислюється з використанням колірного простору CIE 1931: сигнал детектора, що залежить від довжини хвилі, перетворюється на тристимульні значення CIE XYZ за допомогою стандартних функцій узгодження кольорів, а потім відображається на зображення sRGB, яке наближено відповідає людському зоровому сприйняттю. Для отримання додаткової інформації про цю колірну модель див., наприклад, колірний простір CIE 1931.