
使用射线光学模块模拟大型光学系统中的光线追踪
重点关注:
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
“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
- 槽
- 分束器
- 棱镜
- 反光镜
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
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。
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。
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:
- 将射线光学模型转换为简单的用户界面(App)
- 为 App 用户选择输入和输出,实现按需定制 App
- 使用 COMSOL Server™ 或 COMSOL Compiler™ 产品,使其他团队成员也可以访问这些 App
- 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。
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。
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