Навчальний посібник із трасування променів (частина C): демонстрація MicroLens – проєктування форми (гаусова функція та сфери).
У розділі B ми використовували діафрагму як потужний просторовий/кутовий фільтр і побачили, наскільки чутливим може бути детектор. У цій заключній частині ми змінюємо геометрію самих мікролінз. Мета полягає не в тому, щоб «оптимізувати» лінзу, а в тому, щоб розвинути інтуїцію: форма поверхні контролює кутову розподільну здатність вихідних променів, і це безпосередньо визначає, скільки світла може сприймати детектор через обмежену апертуру.
1. Зміна форми лінз
Клацніть правою кнопкою миші на об’єкті мікролінзи в тривимірній сцені та виберіть «Редактор сітки» (??). Відкриється вікно редактора сітки мікролінзи (??), де ви зможете змінити геометрію, обравши іншу форму з бази даних.
У редакторі сітки змініть параметр «Форма» з базової форми «сфера» на «гаусс», а потім повторно запустіть моделювання. Отриманий результат має бути схожим на ??. Зверніть увагу, як змінюється пучок променів: гауссівський профіль має тенденцію до перерозподілу променів іншим чином, і в цій конкретній конфігурації ви часто помітите, що менше світла проходить через отвір детектора. Це геометричний ефект: детектор може приймати лише промені в межах обмеженого діапазону положення/кута, тому будь-яка зміна, яка збільшує розбіжність (або зміщує промені вбік), зменшує ефективність прийому.
Далі спробуйте використати більш виражену геометричну форму. У редакторі сітки перемкніть об’єкт мікролінзи на кулі, вибравши відповідну іконку сфери, а потім відтворіть або перезапустіть симуляцію. Результат можна побачити на ??. Порівняно з гладкою лінзовою поверхнею, сферичні елементи поводяться більше як елементи з сильною кривизною, які вводять ширший діапазон кутів променів, що може значно збільшити бічне розсіювання та кількість відхилених променів.
Корисна порада для досліджень: оптичне вилучення з контрольованою формою.
- Проведіть експерименти з різними формами поверхонь (наприклад, куполоподібною, гаусовою, сферичною) і спостерігайте, як вони перенаправляють світло.
- Змініть висоту фігури, щоб змінити нахил місцевої поверхні та, відповідно, кутову розподільну характеристику променів.
- Більш круті або пологі поверхні впливають на те, які промені можуть пройти крізь отвір і досягти детектора.
- У результаті, виявлений сигнал може значно змінюватися, навіть якщо загальна випромінювана потужність залишається незмінною.
Основний висновок: геометрія поверхневих елементів суттєво впливає на випромінювання та поглинання світла; незначні зміни форми або висоти можуть призвести до значних відмінностей у кількості світла, яке досягає детектора.
Які висновки можна зробити, вивчаючи гауссів розподіл і сфери?
Основний висновок полягає в тому, що «ефективність випромінювання» – це не лише кількість світла, яке виходить із поверхні, а й те, куди воно спрямовується. У цих випадках детектор не є нескінченною півсферою: він розташований за скінченною апертурою, тому корисними є лише певні кути променів. Поверхня, яка створює щільний пучок променів, що сходяться в одній точці, може здаватися «яскравою» для детектора, навіть якщо загальна потужність випромінювання подібна, оскільки вона відповідає параметрам сприйняття системи.
Гаусова форма, як правило, згладжує розподіл кривизни поверхні порівняно з простою куполоподібною формою, що може змінювати локальні кути заломлення по всій поверхні. Залежно від вашої геометрії, це може збільшити розходження променів, змістити каустику або вплинути на те, де промені перетинають площину апертури. Загальний ефект часто полягає у зменшенні прийнятої потужності: променів більше, але менша їх кількість потрапляє у невелике вікно фазового простору, яке може охопити детектор. Іншими словами, ви змінили відповідність між параметрами джерела, мікролінзи та детектора.
Конструкція корпусу для сфер (куль) навмисно зроблена «неоптичною» в класичному розумінні: вона створює значну кривизну та численні можливості для випромінювання променів під великими кутами. Це сприяє утворенню більшої кількості розсіяних світлових шляхів і бічного витоку, що є саме тим типом поведінки, який справжні розробники оптичних систем намагаються придушити за допомогою гладких поверхонь, ретельного розміщення діафрагм і світлопоглинальних екранів. Це корисний стрес-тест: якщо сигнал вашого детектора зменшується, коли ви вводите сферичні елементи, це свідчить про те, що система має обмежену кутову апертуру та надзвичайно чутлива до кутового розсіювання.
На практиці, саме тому мікролінзові матриці в системах формування зображень розробляються з урахуванням конкретної конфігурації сенсора та геометрії діафрагми: ви не проєктуєте «просту лінзу», а проєктуєте кутовий перетворювач, який відображає розподіл джерела в область сприйняття наступної оптичної системи. Суть цієї демонстрації полягає в тому, що OghmaNano дозволяє вам візуально дослідити це відображення, перш ніж остаточно визначитися з будь-якими показниками або оптимізаційним процесом.
✅ Готово: ви закрили діафрагму, просканували вихідну позицію та кут випромінювання, а також змінили форму поверхні, щоб побачити, як змінюються показники сприйняття та розсіяного світла.
👉 Next steps:
Для загального огляду оптичних систем і методів моделювання трасування променів див. Огляд оптичних систем і методів трасування променів.