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
- 分光器
- 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 Ritchey-Chrétien 几何。
每种介质的折射率都可以直接指定，也可以从光学色散关系进行推导。您既可以从材料数据库加载色散系数（如 Sellmeier 系数），也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，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，您可以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，该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，您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。
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