Головна Приклади Знімки екрана Інструкція користувача Логотип Bluesky. YouTube ☰
OghmaNano Мультифізична платформа для моделювання оптоелектронних пристроїв і фотонних систем. ЗАВАНТАЖИТИ Короткий посібник зі швидкого старту

Навчальний посібник із трасування променів (частина А): відбиття від нерівної поверхні плівки.

У цьому навчальному посібнику ви використовуватимете трасувальник променів OghmaNano, щоб дослідити, як світло відбивається від нерівної плівки. Нерівність може відображати зображення, отримане за допомогою атомно-силової мікроскопії, або будь-яку іншу експериментально виміряну поверхню. Ви завантажите демонстраційну програму «Відбиття від плівки», запустите симуляцію трасування променів і вивчите, наскільки ефективно детектор, розташований над плівкою, фіксує світло.

Крок 1: Відкрийте приклади, що використовують технологію трасування променів.

Запустіть OghmaNano з меню «Пуск» у Windows. У початковому вікні натисніть «Нова симуляція». Відкриється бібліотека типів пристроїв. Знайдіть і двічі клацніть на категорії «Трасування променів», як показано на ??. Відкриється папка з демонстраційними версіями трасування променів (??).

OghmaNano new simulation window with the Ray tracing category highlighted.
Нове вікно симуляції. Двічі клацніть на категорії «Трасування променів», щоб відкрити приклади проєктів, що використовують трасування променів.
List of ray-tracing demos including light box, microlens, prism demo, and Reflection from film.
Демонстраційна бібліотека для трасування променів. Виберіть опцію «Віддзеркалення від плівки» (виділено), щоб завантажити приклад, у якому світло відбивається від нерівної плівки, отриманої на основі зображення, створеного за допомогою атомно-силового мікроскопа.

За потреби вкажіть папку, в якій потрібно зберегти результати моделювання. Як і у випадку з усіма моделюваннями OghmaNano, найкраще використовувати локальну папку (наприклад, на диску C:\), а не мережевий або хмарний диск. Більше інформації про швидкість моделювання можна знайти тут.

Крок 2: Огляньте плівку та детектор.

Після вибору функції «Віддзеркалення» для плівки відкривається головне вікно «Оптичної робочої станції», де відображається тривимірна сцена (??). Червона поверхня представляє собою нерівну поверхню плівки (наприклад, карту висот, отриману за допомогою атомно-силової мікроскопії), зелені стрілки – джерела світла, а фіолетова сітка над плівкою – оптичний детектор, який за своєю концепцією схожий на ПЗЗ-камеру.

Ви можете переміщатися у тривимірному режимі за допомогою миші:

Overall view of the rough film, light sources, and detector grid in the Optical Workbench.
Початковий вигляд відображення з демонстраційного відео. Шорстка червона поверхня — це плівка, фіолетова сітка — площина детектора, а зелені стрілки вказують на розташування та напрямок джерел світла.
Zoomed-in view of the light sources just above the rough film.
Збільшене зображення джерел світла. Обертаючи та збільшуючи зображення за допомогою камери, можна детально розглянути, як розташовані джерела світла відносно плівки.

Крок 3: Запустіть симуляцію трасування променів.

Щоб запустити моделювання, натисніть на Запустити моделювання. натисніть кнопку (синій значок відтворення) на панелі інструментів або скористайтеся клавішею. F9OghmaNano відстежуватиме багато променів, що виходять із джерел, відбиваючи та заломлюючи їх відповідно до локальної нормалі поверхні плівки. Під час моделювання основне вікно оновлюватиметься, щоб відображати траєкторії променів.??).

Rays traced from the sources towards the rough film and detector plane.
Приклад результату трасування променів для нерівної плівки. Промені виходять із зелевої області-джерела, взаємодіють із нерівною червоною поверхнею та частково поглинаються фіолетовою матрицею детекторів, розташованою над плівкою.

Крок 4: Дослідіть різні довжини хвиль.

Віджет «Довжини хвиль» на стрічці інструментів «Оптика» дозволяє вибрати, яка довжина хвилі відображається в даний момент у тривимірному режимі. Виберіть потрібну довжину хвилі зі спадного списку, як показано на ??. Це не запускає повторне моделювання – повний спектр обчислюється заздалегідь, – але визначає, яка підмножина променів відображатиметься.

Optical ribbon with the wavelength selection widget highlighted.
Вибір довжини хвилі в оптичній стрічці. Використовуйте це розкривне меню, щоб візуалізувати, як промені з різною довжиною хвилі поширюються та відбиваються від нерівної плівки.

Спробуйте різні довжини хвиль і поспостерігайте, як змінюється щільність променя на детекторі. У наступних розділах цього посібника ви дізнаєтеся, як це пов’язано з інтерференцією, розсіюванням і поглинанням у плівці.

Крок 5: Перегляньте дані, отримані від детектора.

Після завершення трасування променів перейдіть на вкладку «Вивід», щоб переглянути файли, збережені на диску (??). Ви побачите набір файлів, які містять інформацію про промені та характеристики детектора. Для цього навчального посібника найбільш важливим є каталог «detector0», який містить дані, отримані фіолетовою плоскою матрицею детектора.

Output tab showing files such as detector0, rays.csv, and other ray-tracing outputs.
Вкладка «Результат» для демонстраційної версії «Відбиття від плівки». У папці detector0 містяться дані, отримані від детектора; інші файли описують окремі промені та кутові розподіли.

Двічі клацніть папку detector0, а потім відкрийте файл detector_efficiency0.csv. У цьому файлі зберігається інформація про частку енергії світла, яка досягає детектора, у залежності від довжини хвилі. Після відкриття файлу інструмент для створення графіків OghmaNano відобразить спектр, подібний до ??.

Detector efficiency versus wavelength plotted from detector_efficiency0.csv.
Приклад спектра ефективності детектора, отриманий з detector_efficiency0.csv. Вертикальна вісь показує частку світла, яка досягає детектора. Коли промінь виходить із джерела, його інтенсивність становить 1; послаблення та розсіювання на нерівній плівці зменшують це значення, перш ніж промінь досягне детектора. У цьому прикладі майже не фіксується світло на великих довжинах хвиль, тоді як на коротких довжинах хвиль воно фіксується ефективніше. (Наразі на позначеннях осей вказано метри, але горизонтальну вісь слід інтерпретувати як довжину хвилі в нанометрах).

Порівнюючи криву ефективності детектора із зображенням променів на різних довжинах хвиль, можна отримати уявлення про те, як шорсткість поверхні, розсіювання та кутова розподіленість впливають на виявлений сигнал.

Файли, що генеруються під час моделювання.

Кожна симуляція трасування променів створює набір файлів, які містять інформацію про геометрію, окремі промені та реакцію будь-яких детекторів. Більшість із них – це звичайні текстові файли .csv, які можна відкривати у вбудованих переглядачах OghmaNano або аналізувати за допомогою зовнішніх інструментів, таких як Python, Matlab або Excel. Основні результати демонстрації «Відбиття від плівки» наведено в таблиці 1.

Table 1: Selected files produced by the ray-tracing simulation
Файл або папка Опис
rays.csvСписок відстежених променів (позиції, напрямки, довжини хвиль та інтенсивності).
трасування променів/Додаткові інструменти для діагностики та статистичного аналізу на основі трасування променів.
detector0/ефективність_детектора0.csvЗалежність ефективності детектора від довжини хвилі (див. ??).
детектор0/вхідні_дані_детектор0.csvЗагальна кількість світла, що потрапляє на площину детектора, в залежності від довжини хвилі.
RAY_image.csvЗображення, що імітує вигляд променів на площині детектора.
device.csvГеометричний опис нерівної поверхні плівки та поверхні детектора.

👉 Наступний крок: перейдіть до розділу Частина B, щоб дізнатися, як модифікувати нерівну поверхню, налаштувати джерела світла та виконати серію параметричних обчислень. Загальну інформацію про оптичні системи та моделювання трасування променів можна знайти в розділі Огляд оптичних систем і моделювання трасування променів.