面向大型光学系统的光线追踪仿真
“射线光学模块”是 COMSOL Multiphysics® 软件的一款附加产品，专用于通过射线追踪技术对电磁波的传播进行建模仿真，其中将传播的电磁波简化为射线，能够真实模拟光线在边界处发生的反射、折射或吸收等物理行为。当几何结构的特征尺寸远大于波长时，这种近似方法具有极高的适用性与计算效率。
“射线光学模块”还支持与 COMSOL 产品库中的其他模块无缝耦合，能够在具有温度梯度或几何结构变形的复杂环境中进行精确的射线追踪。借助这一强大的多物理场协同能力，用户可以在统一的仿真环境中，高效完成高保真的结构–热–光学性能（STOP）综合分析。
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在实际应用中，光学系统往往对运行环境的变化极为敏感，例如，高海拔、太空、水下，以及激光和核设施等极端工况。在这些环境中，光学系统不可避免地会受到结构载荷与极端温度的双重考验。为了全面、准确地评估这些环境因素带来的影响，采用数值仿真手段开展结构–热–光学性能（STOP）分析是目前最有效的解决方案。借助 COMSOL Multiphysics® 软件，用户可以在一个模型中轻松实现结构、热与光学等效应的多物理场深度耦合，不仅支持在热应力导致的变形几何中进行精确的射线追踪，还能通过内置的材料模型，真实反映折射率随温度变化的物理现象。
此外，“射线光学模块”还具备出色的扩展性，可与其他模块无缝结合，以应对更复杂的物理过程。无论是热辐射、共轭传热，还是超弹性材料与压电效应，都能在同一仿真平台内实现高精度的结构与热仿真分析。
借助 COMSOL® 软件中的“射线光学模块”，可开展各类光学系统的射线追踪分析。
支持透镜与相机系统的设计，并提供对光学系统单色像差的深度分析功能。
分析穿过各种望远镜系统的光线。
使用射线追踪功能预测激光的稳定性。
追踪穿过高功率激光聚焦系统的光线。
使用内置的 Stokes-Mueller 形式来操控光的偏振。
精确追踪射线在散射域（如潮湿环境、生物组织等）中的传播路径与动态行为。
分析反射线和碟式太阳能聚光器/接收器系统。
使用光栅或色散介质分离多色光。
模拟射线与平移和旋转表面的相互作用。
将紫外线聚焦到硅基板上的亚微米点。
“射线光学模块”采用光线追迹法分析光路
基于“几何光学”分析电磁波在大型光学结构中的传播。几何光学 接口包含射线强度和偏振的内置处理功能，采用 Stokes-Mueller 演算的形式进行强度计算，可以方便地跟踪完全偏振、非偏振和部分偏振的射线。
该物理场接口提供了灵活的射线追踪算法，可以追踪射线在均匀折射率和渐变折射率（GRIN）介质中的传播；可以通过指定波长分布或输入离散值来定义单色或多色射线。
“射线光学模块”提供了几何零件库，包含反射镜、透镜、棱镜和孔径光阑等全参数化的几何模型，许多零件还包含一系列具有不同输入参数组合的选项，方便用户修改参数，以满足光学设计需求。
例如，您可以在几何序列中加入球面镜或锥面镜，指定凹凸面，并输入曲率半径；然后指定平面镜（如果有）的孔径、全直径和直径。这些参数可以在几何建模时手动调整，也可以在后续运行参数化扫描 研究时调整。不仅如此，您还可以使用内置工作平面，根据已有零件定位新导入的零件；软件可以为零件自动创建命名的选择，以方便您在后续操作中设定对应的边界条件。
本模块支持射线自动检测传播路径上的几何边界，无需用户指定射线与边界的交互顺序。当射线到达某一表面时，软件可精确模拟漫反射、镜面反射、折射及吸收等多种光学行为。同时，用户可以为边界设置条件性交互规则，或设置给定概率，实现不同边界交互模式之间的随机切换。
在介电介质之间的边界处，每条入射线均会按物理规律自动分裂为反射线和折射线，并智能识别全内反射现象。在求解射线强度时，软件将基于菲涅尔方程自动更新反射与折射光强。此外，用户还可以在材料不连续处定义薄介电层，轻松模拟滤光片、抗反射涂层或介质反射镜等复杂光学结构。
“射线光学模块”提供灵活的射线释放方式。用户在定义射线初始发射位置时，不仅可以直接输入坐标或从文本文件导入，还能从选定的几何实体（如任意域、边界、边或点）上释放射线。针对特定的工程场景，模块内置了专用特征，支持在地球表面的指定位置生成太阳辐射，或从受照边界释放反射或折射的射线。
在射线强度初始化方面，软件支持通过表达式进行设置，或在模型中加载光度数据文件（具体说来是一个 IES 文件）以获取真实光源参数。而且，模块还提供额外的预定义射线释放特征，让用户能够轻松模拟黑体辐射及高斯光束传播等典型物理现象。
此外，针对每条射线的发射方向，用户既可以指定方向，也可以采用球面、半球面、锥面或朗伯分布等多种空间采样策略，从而精确还原真实的光场发散特性。
射线加热 接口用于模拟电磁波在大型光学系统中的传播，可以考虑光线与温度场直接的相互影响。吸收介质中的射线衰减而造成的能量损失，可以在温度计算中作为热源考虑。
用户既可以直接指定每种介质的折射率，也可以基于光学色散关系推导得出。色散系数（如 Sellmeier 系数）可以从材料数据库加载，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，虚部则引起光线在介质中的衰减或增益。
除此之外，热光色散系数还可用于根据温度调整折射率。本模块还提供温度相关的 Sellmeier 色散模型，将温度和波长的依赖关系组合成一组 Sellmeier 系数，这种方法尤其适用于低温材料的研究。
光学材料库包含来自肖特科技、成都光明光电股份有限公司、株式会社小原公司和康宁公司的玻璃数据，以及各种气体、金属和聚合物数据。对于其中大多数光学玻璃来说，折射率是通过一组光色散系数作为波长的函数提供。
除折射率以外，光学材料库中的许多光学玻璃还提供一系列有关材料的结构和热属性，比如密度、杨氏模量、泊松比、线性热膨胀系数、导热系数和比热容。通过考虑这些结构和热属性，用户可以更准确地预测材料的行为，进行 STOP 耦合分析。玻璃的内部透光率也以波长函数的形式在表格中列出，帮助用户预测光在介质中的衰减情况。
借助 COMSOL Multiphysics® 强大的后处理工具，用户可以轻松生成兼具视觉表现力与丰富信息量的仿真结果。在二维或三维模型中，射线可以灵活地显示为线、管、点以及矢量；其颜色不仅支持由任意表达式定义，还能在不同射线之间动态变化，甚至沿每条射线的传播路径实现连续变化。在求解射线强度时，还可直观地沿射线路径绘制偏振椭圆图。
除了基础的射线路径显示，COMSOL Multiphysics® 还提供一系列专用的绘图工具。用户可以清晰地呈现干涉条纹，或将光程差精确分解为各项单色像差。此外，软件还支持灵活绘制射线与各类几何面（如平面、球面、半球面或复杂曲面）的交点，全方位满足您的光学分析与可视化需求。
Vdara 是 CityCenter Land, LLC. 的注册商标。
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