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)。
由球面主镜和椭圆平面副镜组成的牛顿望远镜中的射线。
哈勃太空望远镜中的光线，其中采用标准的由两个同轴锥面镜组成的里奇-克莱琴几何。
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。
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
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。
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。
准直入射光束在这个龙勃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。
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）。
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：
- 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。
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。
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