شبیه‌سازی رهگیری پرتو

مقدمه‌ای بر رهگیری پرتو سه‌بعدی

رهگیری پرتو، نور را به‌صورت پرتوهایی که در فضای سه‌بعدی منتشر می‌شوند مدل می‌کند. این روش برای دستگاه‌هایی با هندسه‌های غیرمسطح یا ریزساختاریافته (برای مثال، آرایه‌های ریزلنز، زیرلایه‌های بافت‌دار، ویژگی‌های استخراج نور) ایده‌آل است، جایی که فرض‌های اپتیک موجی لایه‌نازک دیگر برقرار نیستند.

محل استفاده این مورد در راهنما:
برای تنظیم عملی سامانه نوری (تعریف منابع، قرار دادن آشکارسازها، اجرای رهگیری، و خواندن خروجی‌ها)، به سامانه‌های نوری & رهگیری پرتو مراجعه کنید. برای این‌که ببینید پرتوها چگونه ثبت می‌شوند و به تصاویر/منحنی‌های بازده تبدیل می‌شوند، به آشکارسازهای نوری مراجعه کنید.

یک پرتو با یک نقطه \(\mathbf{r}_0\) و یک جهت یکه \(\hat{\mathbf{d}}\) پارامتردهی می‌شود:

\[ \mathbf{r}(t) = \mathbf{r}_0 + t\,\hat{\mathbf{d}}, \qquad t \ge 0 . \]

در برخورد با یک سطح با بردار نرمال یکه \(\hat{\mathbf{n}}\)، جهت بازتاب کاملاً آینه‌ای برابر است با

\[ \hat{\mathbf{d}}_{\mathrm{ref}} = \hat{\mathbf{d}} - 2\,(\hat{\mathbf{d}}\!\cdot\!\hat{\mathbf{n}})\,\hat{\mathbf{n}} . \]

قانون اسنل سه‌بعدی (فرم برداری)

فرض کنید \(n_1\) و \(n_2\) به‌ترتیب ضریب شکست محیط فرودی و محیط عبوری باشند. \(\eta = \dfrac{n_1}{n_2}\) و \(c = -\,\hat{\mathbf{n}}\!\cdot\!\hat{\mathbf{d}}\) را تعریف کنید (کسینوس زاویه فرود، با این قرارداد که \(\hat{\mathbf{n}}\) به سمت محیط 1 اشاره می‌کند). در این صورت جهت یکه شکسته‌شده (عبوری) \(\hat{\mathbf{d}}_{\mathrm{refr}}\) برابر است با

\[ \hat{\mathbf{d}}_{\mathrm{refr}} \;=\; \eta\,\hat{\mathbf{d}} \;+\; \bigl(\eta\,c \;-\; \sqrt{\,1 - \eta^{2}\,\bigl(1-c^{2}\bigr)}\,\bigr)\,\hat{\mathbf{n}} . \]

عبارت زیر رادیکال قید فیزیکی ناشی از قانون اسنل را اعمال می‌کند، \(n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2\). اگر

\[ 1 - \eta^{2}\,\bigl(1-c^{2}\bigr) \;<\; 0, \]

در این صورت هیچ جواب حقیقی‌ای وجود ندارد و پرتو دچار بازتاب کلی داخلی (TIR) می‌شود؛ در این حالت، از \(\hat{\mathbf{d}}_{\mathrm{ref}}\) بالا استفاده کنید.

تفکیک انرژی (اختیاری)

برای تقسیم انرژی بین بازتاب و عبور، از ضرایب فرنل استفاده کنید (میانگین بدون قطبش):

\[ R \;=\; \tfrac{1}{2}\!\left( \left|\frac{n_2 c - n_1 c'}{n_2 c + n_1 c'}\right|^{2} \;+\; \left|\frac{n_1 c - n_2 c'}{n_1 c + n_2 c'}\right|^{2} \right),\qquad T = 1 - R, \]

که در آن \(c' = \sqrt{\,1 - \eta^{2}\,(1-c^{2})\,}\) برابر \(\cos\theta_2\) است. در محیط‌های جاذب، از ضریب‌های شکست مختلط \(n = n' + i\kappa\) استفاده کنید.

گام بعدی (مثال حل‌شده):
اگر می‌خواهید گذردهی، کلیپ شدن، و بازده وابسته به طول موج را از یک لنز چندعنصری واقعی به‌صورت نمودار ببینید، به Cooke Triplet (بخش A) بروید. اگر یک مرور سریع از خروجی‌ها و کنترل‌های رهگیری پرتو می‌خواهید، از دموی قوری شروع کنید.

کاربردهای معمول

استخراج نور در OLEDها با زیرلایه‌های الگودار
پراکندگی/به‌دام‌اندازی در سلول‌های خورشیدی بافت‌دار یا ریزساختاریافته
کوپله‌سازی به موجبرها و آرایه‌های لنزچه
تلفات بسته‌بندی و تحلیل نور سرگردان در دستگاه‌های سه‌بعدی

آموزش‌ها و ویرایشگرهای مرتبط: منابع نور, آشکارسازهای نوری, ویرایشگر S-plane, و سامانه‌های نوری & رهگیری پرتو.