آشکارسازهای نوری

1. مقدمه

در OghmaNano، از آشکارسازهای نوری برای اندازه‌گیری نور هنگام انتشار آن در یک سامانه نوری استفاده می‌شود. آشکارسازها با استفاده از ویرایشگر آشکارسازهای نوری تعریف می‌شوند، که می‌توان آن را از نوار Optical در پنجره اصلی باز کرد (نگاه کنید به شکل ??).

باز کردن ویرایشگر آشکارسازهای نوری از نوار Optical.

ویرایشگر آشکارسازهای نوری در ?? نشان داده شده است. یک آشکارساز نوری در OghmaNano یک سطح دوبعدی است که در هر نقطه‌ای از دامنه شبیه‌سازی قرار می‌گیرد. از نظر مفهومی، مانند یک دوربین CCD ایده‌آل‌شده رفتار می‌کند: فوتون‌های عبوری از آن را می‌شمارد و توزیع طیفی و مکانی آن‌ها را ثبت می‌کند.

آشکارسازها نمی‌توانند نور را جذب، بازتاب یا پراکنده کنند. آن‌ها از نظر ریاضی شفاف هستند و میدان نوری را اغتشاش نمی‌کنند. پرتوها، موج‌ها یا فوتون‌ها بدون تغییر از آشکارساز عبور می‌کنند؛ آشکارساز فقط آنچه از سطحش عبور می‌کند را ثبت می‌کند.

ویرایشگر آشکارسازهای نوری OghmaNano که گزینه‌های پیکربندی آشکارساز را نشان می‌دهد — پنل پیکربندی ویرایشگر آشکارسازهای نوری.

منوی کلیک راست در صحنه سه‌بعدی که گزینه آشکارساز جدید را نشان می‌دهد — ایجاد یک آشکارساز جدید به‌طور مستقیم از صحنه سه‌بعدی با کلیک راست.

2. هندسه و تفکیک‌پذیری آشکارساز

یک آشکارساز با موقعیت، جهت‌گیری و اندازه جانبی آن (\(dx\) و \(dy\)) تعریف می‌شود. ضخامت \(dz\) بی‌اهمیت است، زیرا آشکارساز به‌عنوان یک سطح صرفاً دوبعدی در نظر گرفته می‌شود. آشکارساز را می‌توان حول محورهای \(x\)، \(y\) و \(z\) چرخاند، که به آن اجازه می‌دهد در هر جهتی قرار گیرد. این کار امکان ثبت نور عبوری، بازتابی یا فراری را در هندسه‌های دلخواه فراهم می‌کند. آشکارسازها همچنین می‌توانند با کشیدن آن‌ها در صحنه سه‌بعدی به‌صورت تعاملی جابه‌جا شوند.

در بخش آشکارساز از پنل پیکربندی، پارامترهای نقاط مش x و نقاط مش y تعداد binهای مکانی استفاده‌شده در سطح آشکارساز را تعریف می‌کنند. این‌ها مستقیماً متناظر با تعداد پیکسل‌ها در یک حسگر CCD هستند و تفکیک‌پذیری مکانی داده‌های ثبت‌شده را کنترل می‌کنند. چندین آشکارساز را می‌توان در یک شبیه‌سازی واحد قرار داد. هر آشکارساز به‌طور مستقل عمل می‌کند و مجموعه فایل‌های خروجی مخصوص به خود را تولید می‌کند.

3. مثال‌های آشکارساز

آشکارسازی که نور خارج‌شونده از یک سامانه نوری را اندازه‌گیری می‌کند — یک آشکارساز که پس از یک سامانه نوری قرار گرفته است تا نور خارج‌شونده را اندازه‌گیری کند. آشکارساز یک ثبت تفکیک‌شده مکانی و طیفی از تابش عبوری فراهم می‌کند.

آشکارسازی که نور گسیل‌شده از سطح بالایی یک LEFET را ثبت می‌کند — آشکارسازی که نور گسیل‌شده از سطح بالایی یک ترانزیستور اثر میدانی گسیل‌کننده نور (LEFET) را اندازه‌گیری می‌کند.

4. خروجی‌ها

وقتی پوشه خروجی یک آشکارساز را باز می‌کنید، معمولاً چهار فایل خواهید دید (نگاه کنید به شکل ??): detector_abs0.csv، detector_efficiency0.csv، detector_input0.csv، و RAY_image.csv. این فایل‌ها در کنار هم (i) توزیع مکانی نور آشکارشده و (ii) گذردهی طیفی از منبع تا آشکارساز را توصیف می‌کنند.

خروجی آشکارساز که به‌صورت یک آیکون شبیه CCD در مرورگر خروجی نشان داده شده است — خروجی آشکارساز که به‌صورت یک آیکون شبیه CCD در مرورگر خروجی نمایش داده شده است.

خروجی‌های تفصیلی آشکارساز شامل تصاویر مکانی و طیف‌ها — خروجی‌های تفصیلی تولیدشده از نور عبوری از آشکارساز.

RAY_image.csv یک تصویر با تفکیک‌پذیری مکانی از آن چیزی است که آشکارساز دریافت می‌کند (از نظر مفهومی یک فریم CCD). در حالت ray-tracing، این فایل معمولاً با رهگیری سه طول موج نماینده (به‌صورت اسمی “R”، “G”، و “B”) تولید می‌شود و آن‌ها را مستقیماً به یک تصویر RGB نگاشت می‌کند. در روندهای کاری غیر ray-tracing، یا هنگامی که مجموعه طول موج گسترده‌تری را رهگیری می‌کنید، OghmaNano طیف آشکارشده را با استفاده از توابع استاندارد پاسخ رنگ بینایی انسان به RGB قابل نمایش تبدیل می‌کند (بنابراین رنگ، یک برآورد از ظاهر چیزی است که چشم می‌بیند، نه یک رندر واقعی سه‌طول‌موجی). در عمل، برای طیف‌های EL/PL باید طول موج‌های زیادی را رهگیری کنید؛ RGB سه‌رنگ برای نمایش سریع اپتیک مناسب است، اما برای طیف‌های گسیلی بسیار کم‌تراکم است.

سه فایل باقی‌مانده یک زنجیره ساده «ورودی → آشکارشده → بازده» را تشکیل می‌دهند:

detector_abs0.csv (??): طیف منبع در دسترس که در اصل می‌توانسته به آشکارساز برسد. این توزیع پرتوها/فوتون‌های گسیل‌شده بر حسب طول موج، پیش از آن است که هندسه و جذب تعیین کنند واقعاً چه چیزی می‌رسد.
detector_input0.csv (??): طیف پرتوها/فوتون‌هایی که واقعاً به سطح آشکارساز می‌رسند و از آن عبور می‌کنند (به‌صورت تعداد گزارش می‌شود). جذب ماده و clipping این را تغییر می‌دهند. در مثال نشان‌داده‌شده، شیشه بخش UV طیف را حذف می‌کند و در نتیجه در طول موج‌های کوتاه کاهش تندی ایجاد می‌شود.
detector_efficiency0.csv (??): احتمال آشکارسازی (درصد) بر حسب طول موج که به‌صورت زیر محاسبه می‌شود \[ \eta(\lambda)=100\times\frac{I_{\text{det}}(\lambda)}{I_{\text{avail}}(\lambda)} =100\times\frac{\texttt{detector_input0.csv}}{\texttt{detector_abs0.csv}}. \] از نظر فیزیکی این‌گونه تفسیر می‌شود: اگر یک پرتو/فوتون در طول موج \(\lambda\) گسیل شود، چه کسری از این گسیل‌ها در نهایت از آشکارساز عبور می‌کنند؟

تصویر رندرشده آشکارساز (با تفکیک‌پذیری مکانی) که از RAY_image.csv تولید شده است — تصویر آشکارساز با تفکیک‌پذیری مکانی (از `RAY_image.csv`).

هیستوگرام ورودی آشکارساز که طیف گسیلی در دسترس را نشان می‌دهد که می‌توانسته به آشکارساز برخورد کند — طیف در دسترسی که می‌توانسته به آشکارساز برخورد کند (از `detector_abs0.csv`).

تعداد نور آشکارشده بر حسب طول موج از detector_input0.csv — طیف نور آشکارشده به‌صورت تعداد (از `detector_input0.csv`).

بازده آشکارسازی بر حسب طول موج که از تقسیم detector_input0.csv بر detector_abs0.csv محاسبه شده است — بازده آشکارسازی \(\eta(\lambda)\) بر حسب درصد (از `detector_efficiency0.csv`).