光线追踪教程（B 部分）：微透镜演示 – 光阑滤波与光源扫描

在 A 部分中，你加载了微透镜演示并运行了基线光线追踪模拟。 在本部分中，我们将刻意缩小光阑，使只有一束很窄的光线能够到达探测器。 这会将系统变成一个强力的空间/角度滤波器：大多数光线会被拒绝，只有接近光轴的光线会被接受。

1. 缩小光阑（减小 d0）

在 3D 视图中，右键点击光阑挡板（带孔的蓝色板）并打开 网格编辑器 如 ?? 所示。 这会打开光阑编辑器窗口 （??）， 你可以在其中控制孔径大小。将 D0 设置为 0.005 m。 这会有效地关闭光阑，强烈限制哪些光线可以通过并到达探测器。 在这方面，光阑的作用类似于共聚焦显微镜中的针孔，或 其他光学仪器中使用的视场光阑：只有来自狭窄位置与角度范围的光线 会被接受，而离轴光和杂散光会被拒绝。

重新运行模拟（F9）。现在你应当看到大多数光线都被拒绝：只有很小一部分光能够通过 光阑并到达探测器平面（紫色网格）， 如 ?? 所示。 从概念上讲，光阑在根据光线的来源位置与传播角度进行选择： 到达时偏离光轴过远（或起源于微透镜阵列“错误”区域）的光线会被阻挡。

2. 扫描光源位置并观察接受度

重新调整相机方向，使你能清楚看到光源区域与微透镜，类似于 ??。 使用鼠标将光源在模拟窗口中横向移动，并尝试找到光线不再到达探测器的点。 当光阑几乎关闭时，会存在一段光源位置范围使得光线仍可通过孔径到达探测器， 而超过某个偏移后，探测器将几乎不再接收光。

为量化到达探测器的光量，切换到 输出 选项卡，打开 detector0，然后打开 detector_efficiency0.csv。该文件绘制波长与被探测器接受的发射光比例之间的关系。 关于探测器及其输出的更多内容在其他教程中会更详细介绍；在这里我们使用效率谱作为 光学接受度的紧凑度量。

类共聚焦光学滤波（针孔类比）

共聚焦显微镜通过使用一个针孔来提高图像对比度，该针孔的放置方式使来自焦区的光优先透过， 而离焦与离轴光被拒绝。这通常以深度（轴向）分层的方式来介绍，但同样的原理也适用于横向： 光阑可以作为空间滤波器，只允许来自有限区域与角度范围的光通过。

在该微透镜演示中，光阑挡板扮演了类似共聚焦针孔的角色：它施加了严格的接受条件。 当你横向扫描光源时，你实际上是在测量该光学系统的横向接受函数。 缩小光阑会抑制背景与杂散光，但也会使探测器信号对光源位置与发射角度高度敏感。

3. 以更宽的角度范围发光

接下来我们让光源向更宽的方向集合发射。右键点击光源以打开光源编辑器 （??）。 增大 Phi 角度跨度，使光在 -90 到 +90 度之间以 20 步发射。 这将使光线朝更多方向发射。

重新运行模拟。你应当看到更多光线，包括向侧面逃逸的光线以及通过光阑向上的光线， 如 ?? 所示。 如果你再次检查 detector0/detector_efficiency0.csv，探测器接受度通常会非常低： 大多数发射光不满足通过挡板并到达探测器所需的几何约束。

为什么高效集光很难

这种行为反映了光学系统中的一个普遍难题：一旦引入光阑、挡光板、有限探测器尺寸或有限数值孔径， 就会在位置与角度上施加严格的接受条件。具有宽角分布的发射光（例如来自散射、 漫射发射体、荧光或粗糙表面）在本质上很难被高效收集，除非（i）使用高 NA 的集光光学系统， （ii）使用与光学展度相匹配的探测器，或（iii）接受更多背景与杂散光。

实际例子包括成像系统与眩光和雾状眩光作斗争（杂散光会冲淡对比度）， 显微系统在信号与光学分层之间权衡（共聚焦针孔拒绝背景但也拒绝信号）， 以及带窗口或外壳的传感器中内部反射会产生鬼像路径。 微透镜演示将这些权衡可视化：缩小光阑会抑制背景，但也会使系统对 光源位置与发射角度更加不宽容。