Навчальний посібник із трасування променів (частина B): демонстрація MicroLens – фільтрація діафрагми та сканування джерела.

У першій частині ви завантажили демонстраційну версію MicroLens і запустили базову симуляцію трасування променів. У цій частині ми навмисно зменшуємо діафрагму, щоб лише вузький пучок променів міг досягти детектора. Це перетворює систему на потужний просторовий/кутовий фільтр: більшість променів відхиляється, і приймаються лише промені, що майже паралельні осі.

1. Зменште діафрагму (зменште значення d0).

У тривимірному режимі клацніть правою кнопкою миші на діафрагмі (синя пластина з отвором) та відкрийте редактор сітки, як показано на ??. Це відкриє вікно редактора діафрагми (??), де ви зможете регулювати розмір отвору. Встановіть значення D0 на 0.005 м. Це фактично закриє діафрагму, суттєво обмежуючи, які промені можуть досягати детектора. У цьому плані діафрагма виконує функцію, подібну до функції малої апертури в конфокальному мікроскопі або до поляризаційних діафрагм, що використовуються в інших оптичних приладах: пропускаються лише промені, що надходять з вузького діапазону положень і кутів, тоді як промені, що відхиляються від осі, і розсіяне світло відкидаються.

Повторіть моделювання.F9). Тепер ви повинні бачити, що більшість променів відхиляються: лише невелика частина світла проходить крізь отвір і досягає площини детектора (фіолетова сітка), як показано на рисунку. ??У загальному, апертура здійснює відбір променів на основі де звідки вони приїхали і під яким кутом; який кут вони рухаються так: промені, які надходять під занадто великим кутом (або походять із «неправильної» області мікролінзової матриці), блокуються.

2. Перевірте вихідну позицію та переконайтеся, що вона прийнятна.

Переорієнтуйте камеру так, щоб чітко бачити область джерела та мікролінзи, як показано на ??. За допомогою миші переміщуйте оптичне джерело вбік у межах вікна моделювання та спробуйте знайти точку, в якій промені більше не досягають детектора. Коли діафрагму майже закрито, існуватиме певний діапазон положень джерела, для яких промені все ще можуть проходити через отвір і досягати детектора, але після певного зміщення детектор практично не отримуватиме світла.

Щоб визначити, яка кількість світла досягає детектора, перейдіть на вкладку «Вихід», відкрийте файл detector0, а потім відкрийте файл detector_efficiency0.csv. У цьому файлі відображено залежність довжини хвилі від частки випромінюваного світла, яку приймає детектор. Детектори та їхні характеристики детальніше розглядаються в інших навчальних матеріалах; тут ми використовуємо спектр ефективності як компактний показник оптичної чутливості.

Оптичне фільтрування за принципом конфокальної мікроскопії (аналогія з використанням малої апертури)

Конфокальний мікроскоп покращує контрастність зображення за допомогою невеликої отвірної діафрагми, яка розташована таким чином, щоб світло з фокальної області переважно проходило крізь неї, тоді як світло, що не перебуває у фокусі або походить з областей, віддалених від осі, відсіюється. Зазвичай це реалізується шляхом секціонування за глибиною (вздовж осі), але той самий принцип також застосовується і в площині: діафрагма може діяти як просторовий фільтр, який пропускає лише світло з обмеженої області та в обмеженому кутовому діапазоні.

У цій демонстраційній версії MicroLens діафрагма виконує подібну функцію, як і конфокальна діафрагма: вона забезпечує суворе дотримання умови приймання. Коли ви скануєте джерело вбік, ви фактично вимірюєте функцію бічного приймання оптичної системи. Закриття діафрагми пригнічує фоновий шум і розсіяні промені, але водночас робить сигнал детектора надзвичайно чутливим до положення джерела та кута випромінювання.

3. Випромінюйте світло в ширшому кутовому діапазоні.

Далі ми налаштуємо джерело світла, щоб воно випромінювало світло в ширшому діапазоні напрямків. Клацніть правою кнопкою миші на джерелі світла, щоб відкрити редактор джерела (??). Збільште кутовий діапазон Phi, щоб світло випромінювалося від -90 до +90 градусів з кроком 20. Це дозволить випромінювати промені в набагато більшій кількості напрямків.

Повторіть моделювання. Ви повинні побачити значно більше променів, зокрема промені, які розходяться вбік, а також промені, що проходять вгору через апертуру, як показано на ??. Якщо ви знову перевірите detector0/detector_efficiency0.csv, то виявите, що чутливість детектора зазвичай буде дуже низькою: більшість випромінюваного світла не відповідає геометричним вимогам, необхідним для проходження через діафрагму та досягнення детектора.

Чому ефективне збирання світла є складним завданням.

Така поведінка відображає загальну проблему оптичних систем: як тільки ви вводите діафрагми, світлозахисні екрани, детектори з обмеженими розмірами або обмежуєте числову апертуру, ви встановлюєте суворі умови щодо положення та кута. Світло, що випромінюється в широкому кутовому діапазоні (наприклад, внаслідок розсіювання, від дифузних джерел, флуоресценції або від нерівних поверхонь), за своєю природою важко ефективно збирати без використання (i) оптичної системи з високою числовою апертурою, (ii) детектора, який відповідає вимогам щодо етандю, або (iii) прийняття більшої кількості фонового та розсіяного світла.

До практичних прикладів належать системи візуалізації, які борються з відблисками та розсіяним світлом (коли стороннє світло знижує контрастність), мікроскопічні системи, де сигнал обмінюється на оптичне секціонування (конфокальна діафрагма відкидає фонове світло, але також відкидає сигнал), і сенсори, розташовані за вікнами або в корпусах, де внутрішні відбиття створюють «примарні» шляхи. Демонстрація MicroLens робить ці компроміси наочними: закрийте діафрагму, і ви пригнітите фонове світло, але система стане значно менш чутливою до положення джерела та кута випромінювання.