使用射线光学模块模拟大型光学系统中的光线追踪

光学射线追踪软件

“射线光学模块”是 COMSOL Multiphysics® 软件的附加模块,支持您使用射线追踪方法对电磁波的传播进行建模。在建模过程中,传播的波作为射线处理,这些射线可以在模型几何结构的边界上被反射、折射或吸收。这种电磁辐射的处理方式采用近似方法,当几何结构大于波长时,这种方法非常适用。

将“射线光学模块”与 COMSOL® 产品套件中的其他模块结合使用,可以在具有温度梯度和变形的几何结构中进行射线追踪,从而在单个仿真环境中执行高保真结构-热-光学性能(STOP)分析。

射线光学模块带来的优势

通过结合使用“射线光学模块”与 COMSOL Multiphysics® 软件平台的核心功能,您可以使用许多专用的工具进行射线光学建模。

射线光学模块提供的工具可用于模拟:

  • 汽车照明
  • 建筑和室内照明
  • 相机
  • 梯度折射率(GRIN)透镜
  • 干涉仪
  • 激光腔稳定性分析
  • 激光聚焦系统
  • 激光雷达系统
  • 光滤波器
  • 单色器
  • 太阳辐射和太阳能收集
  • 光谱仪
  • 结构-热-光学性能(STOP)分析
  • 望远镜
  • 热透镜


多物理场耦合:

射线光学模块包含:

  • 射线热源

射线光学模块特征和功能

请阅读以下各节内容,深入了解“射线光学模块”的特征和功能。

“射线光学模块”提供一个基本几何零件库,其中包含反射镜、透镜、棱镜和孔径光阑。这些都是完全参数化的零件,其中许多零件都包含具有不同输入参数组合的变体,因此,您可以方便地修改这些零件来满足自己的光学设计需求。

例如,您可以将球面镜或锥面镜插入几何序列;指定表面是凹面还是凸面;输入其曲率半径;然后指定平面镜(如果有)的孔径、外径和直径。您可以手动调整这些输入,也可以通过运行“参数化扫描”研究来进行调整。不仅如此,您还可以使用内置工作平面,相对于之前插入的零件对当前零件进行定向,零件可以自动创建命名的选择,方便您轻松地将边界条件指派给正确的表面。

“射线光学模块”的“零件库”包含以下零件:

  • 透镜
  • 球面
  • 柱面
  • 非球面
  • 双合透镜
  • 反射镜
  • 同轴和离轴锥面镜
  • 平面
  • 孔径光阑
  • 圆形
  • 矩形
  • 复合抛物面聚光器
  • 轴对称
  • 分光器
  • 棱镜
  • 反光镜
显示“射线光学模块”所含零件集合的图像。 “射线光学模块”的“零件库”提供各种各样的几何零件,包括:椭圆平面镜 (1)、复合抛物面聚光器 (2)、球面透镜 (3)、球面镜 (4)、矩形和圆形孔径光阑 (5)、离轴锥面镜 (6) 和角隅反射镜 (7)。
牛顿望远镜中的射线可视化效果。 由球面主镜和椭圆平面副镜组成的牛顿望远镜中的射线。
哈勃太空望远镜模型中的光线可视化效果。 哈勃太空望远镜中的光线,其中采用标准的由两个同轴锥面镜组成的 Ritchey-Chrétien 几何。

每种介质的折射率既可以直接指定,也可以从光学色散关系进行推导。您不仅可以从材料数据库加载色散系数(如 Sellmeier 系数),还可以在用户定义的材料中直接输入。折射率可以是复值,其中实部确定介质中的光速,虚部则引起射线衰减或增益。

热光色散系数还可用于根据温度调整折射率。此外,该模块还提供温度相关的 Sellmeier 色散模型,它将温度和波长的依赖关系组合成一组 Sellmeier 系数,尤其适用于研究低温材料。

双高斯透镜系统的切面图。 显示为二维切面的双高斯透镜系统。六个透镜由三种不同的玻璃(以蓝色、绿色和红色显示)制成,这些玻璃具有不同的光色散系数。

射线可以自动检测其路径中的几何边界,无需您指定射线-边界相互作用的顺序。当一束射线到达物体表面时,它可以被漫反射、镜面反射、折射或吸收。您也可以指定特定条件下的边界相互作用,或在给定概率的两个不同边界相互作用之间进行随机选择。

在电介质之间的边界上,每一束入射线都被明确地分成反射线和折射线。此外,系统还会自动检测全内反射。如果求解射线强度,则根据菲涅尔方程自动更新反射线和折射线的强度。您也可以在材料不连续处定义薄介电层,并将其用作滤波器、抗反射涂层或介质反射镜。

“射线光学模块”包含以下特征的边界条件:

  • 吸收
  • 衍射光栅
  • 漫(朗伯)散射
  • 预定义的光学元件
    • 线偏振片
    • 线性波延迟器
    • 圆形波延迟器
    • 消偏器
    • 用户定义的 Mueller 矩阵
  • 电介质之间边界处的反射/折射
    • 自动检测全内反射(TIR)
    • 使用菲涅尔方程重新初始化射线强度
    • 在任意表面添加单层或多层薄电介质涂层
  • 镜面反射
白瞳中阶梯光栅光谱仪中的射线可视化效果。 本例采用两个反射镜、两个衍射光栅和一个 Petzval 透镜系统模拟白瞳中阶梯光栅光谱仪,通过将这些元件进行组合,可以根据射线的波长将它们排列成二维点阵列。

通过直接输入射线坐标,从文本文件导入坐标,或从选定的几何实体释放射线,都可以将射线初始化。您可以从几何结构中的任何域、边界、边或点选择中释放射线。此模块还提供专门的特征,用于在地球表面的指定位置产生太阳辐射,或者从被照射的边界释放反射线或折射线。

在求解射线强度时,通过使用表达式或者在模型中加载光度数据文件(特别是 IES 文件),可以实现射线初始化。

射线在每个释放位置,都可以在用户指定的方向发射;您也可以从球形、半球形、锥形或朗伯分布中对多个不同的方向进行采样。

打开碟式太阳能接收器模型的 COMSOL 软件 GUI 屏幕截图。 碟式太阳能接收器系统在理想条件下(左)和真实条件下(右),其焦平面上的光线轨迹和沉积功率,其中考虑了表面粗糙度和太阳临边昏暗效应。

射线可以在均质介质和梯度折射率(GRIN)介质中传播,它们也可以呈单色或多色,您可以在其中指定波长分布或输入一组离散值。

几何光学 接口提供射线强度和偏振的内置处理功能,可用于求解沿射线路径的其他物理量。强度计算采用 Stokes-Mueller 演算的形式,可以方便地跟踪完全偏振、非偏振和部分偏振的射线。

通过伦伯透镜聚焦的准直入射光束的可视化效果。 准直入射光束在这个伦伯透镜另一侧的一个点聚焦,这是一种球对称梯度折射率(GRIN)透镜。

借助 COMSOL Multiphysics® 后处理工具,您能够创建信息丰富且美观的仿真结果。您可以在二维或三维模式中将射线绘制成线、管、点和矢量,并根据任意表达式对射线进行着色,表达式可以在不同的射线之间变化,甚至可以沿每条射线的路径变化。在求解射线强度时,您还可以沿射线绘制偏振椭圆。

除此之外,COMSOL Multiphysics® 还提供足够的灵活性,不仅可以显示射线路径,也可以生成其他专用绘图以方便您查看干涉条纹,还能将光程差分解为单独的单色像差项。此外,您还可以绘制射线与平面、球体、半球或更特殊表面的交点。

COMSOL Multiphysics 操作界面,其中显示了一个 Czerny-Turner 光谱仪模型。 交叉 Czerny-Turner 构型光谱仪的光线图,其中的光线根据波长着色(左),并包含随波长变化的光谱分辨率的一维绘图(右)。
在 COMSOL 中执行的稳定性分析示例。 对称蝴蝶结构型的激光腔的稳定性分析。在一维绘图中,我们将射线轨迹的结果与通过 ABCD 矩阵理论预测的腔稳定性进行比较。射线图显示稳定的构型(一个参数值,由于光线保持捕获状态,因此稳定性为 1)。

在构建射线光学模型后,您可以利用“App 开发器”提供的强大功能,进一步简化仿真工作流程。例如,可以限制模型的输入并控制模型输出,将模型几何结构参数化,并提供报告生成模板。

您可以借助仿真 App 提高自己的测试运行效率,也可以将 App 分发给团队其他成员供大家运行各自的测试,从而将节省的时间和资源投入到其他项目中。

仿真 App 的构建过程非常简单:

  1. 将射线光学模型转换为简单的用户界面(App)
  2. 为 App 用户选择输入和输出,实现按需定制 App
  3. 使用 COMSOL Server™COMSOL Compiler™ 产品,使其他团队成员也可以访问这些 App
  4. 最终实现您的团队成员在无需任何帮助的情况下,便能够自行运行设计分析

通过构建和使用仿真 App,您可以在整个团队、机构、课堂或客户群中扩展仿真功能。

用于设计碟式太阳能接收器的仿真 App 的屏幕截图。 通过将碟式太阳能接收器模型转换成仿真 App,即使在您不了解背景物理知识的情况下,也能够更加方便地设计碟式太阳能接收器。

现实世界的光学设计和诊断

光学系统对环境的变化非常敏感,在水下和外太空等极端条件下工作时尤其如此。您可以使用 COMSOL Multiphysics® 软件和专门的附加“射线光学模块”来创建高保真光学仿真。

由于大多数材料的折射率都遵循某种形式的热光色散关系,因此温度成为了最主要的环境因素。光学系统中的物理变形(无论是由热应力还是其他外加载荷引起)也会显著影响图像质量。您可以在一个集成的建模环境中方便地分析所有这些多物理场现象,从而轻松执行耦合的结构-热-光学性能(STOP)分析。不仅如此,您还可以将“射线光学模块”与提供结构和热建模扩展功能的其他附加模块结合使用,从而在仿真中考虑热辐射、共轭传热、超弹性材料和压电效应。



Vdara 是 CityCenter Land, LLC. 的注册商标。



Vdara 是 CityCenter Land, LLC. 的注册商标。

每个公司、每个仿真需求都是独特的。 为帮助您充分评估 COMSOL Multiphysics® 软件是否能满足您的需求,请联系我们。 通过与我们的销售代表进行交流,您将能得到个性化的建议和完整的案例文档,帮助您在产品评估过程中获取实用信息,并针对您的需求选择最佳的许可证。

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