射线光学模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.3 版本针对“射线光学模块”的用户新增了射线终止 特征来消除不需要的射线,导入光度数据的功能,以及设计碟式太阳能接收器的仿真 App。请阅读以下内容,进一步了解“射线光学模块”的所有更新。

射线终止 特征

新的射线终止 特征可用于湮没射线,而不再需要让射线终止于边界,当射线离开基于几何或用户定义的空间范围时可以将其终止。您可以使用射线终止 特征来消除有关射线路径的不需要信息,使轨迹图显示得更清晰。除了使用几何约束来终止射线外,如果射线的强度或功率小于指定的阈值,或者射线在远离模型几何处已呈杂散状,则也可以终止射线。对于因吸收介质的作用而衰减的射线,由于与弯曲表面相互作用而强度变得极低的射线,使用此特征可避免对这类射线过度使用计算资源。

 

一个准直光束经未涂层的凸透镜聚焦。射线终止特征用于终止由镜面反射的杂散光。颜色表达式与射线强度的对数成正比。

 

*射线通过两个焦距分别为 200 mm(上图)和 100 mm(下图)的凸透镜进行传播。通过焦距较短透镜的射线在经过焦点后强度迅速递减,因此可由 _射线终止_ 特征来终止,而通过焦距较长透镜的射线则继续传播。

导入光度数据文件

通过将光度数据文件导入到射线光学模型中,您现在可以指定射线强度和功率的非均匀分布。光度数据文件 特征支持文件扩展名 .ies,这是北美照明工程学会(Illuminating Engineering Society of North America,IESNA)的标准光度数据文件格式。您可以在从栅格释放 节点的总源功率 栏中对强度初始化 选择光度数据导入,使用此特征。

当光度数据文件导入模型后,会生成一组函数,可根据初始射线方向来初始化射线强度和功率。您可以指定光度水平和光度零的方向,从而根据 IES 标准指定照明的方向。

使用射线光学模型中的“光度数据文件”特征的示例。

射线释放时关于 z 轴呈半球分布。颜色表达式与导入的光度数据文件生成的射线强度成正比。

射线释放时关于 z 轴呈半球分布。颜色表达式与导入的光度数据文件生成的射线强度成正比。

几何零件变量

现在,对于“射线光学模块”专用的“零件库”,要指定其中几何零件的尺寸有多种不同的方法。您可以选择在将零件加载到模型时要使用的输入参数或零件变量 的组合。单击添加到几何 时会显示一个对话框,提示您选择零件变量。

新的几何零件:复合抛物面聚光器


“射线光学模块”的“零件库”现在包含“复合抛物面聚光器”(Compound Parabolic Concentrator,CPC)。CPC 具有抛物线型的表面,这些表面相互靠得足够近,以致每一个面的端部位于对面的焦点。入射光的角度小于一个指定的角度,称为半接受角,光始终通过聚光器透射,使 CPC 成为聚焦多个不同方向传入辐射的有用工具。

显示“复合抛物面聚光器”几何零件的示例。 当入射的射线角度等于 CPC 的半接受角时,射线朝对面的焦点集中。 当入射的射线角度等于 CPC 的半接受角时,射线朝对面的焦点集中。


 




射线释放到遵循锥形分布的 CPC 上。由于锥角小于半接受角,因此所有射线都由抛物线型表面聚焦,并到达输出位置(蓝线显示部分)。


朗伯发射

射线释放特征现在包含一个选项,用于释放初始方向呈朗伯分布的射线。射线释放时,初始方向基于朗伯余弦定律。

朗伯余弦定律指出,射线通过微分立体角元素 dω 释放时,极角 θ 与 cos θ 成正比。通过比较,在各向同性半球分布中,射线很可能通过半球中的任何微分立体角释放。

各向同性半球释放和朗伯释放之间的可视比较。 呈各向同性半球释放的射线分布(左侧绘图)和呈朗伯释放的射线分布(右侧绘图)的比较。 呈各向同性半球释放的射线分布(左侧绘图)和呈朗伯释放的射线分布(右侧绘图)的比较。
各向同性速度分布和朗伯速度分布的 COMSOL 绘图。 各向同性分布和朗伯分布中极角的直方图。 各向同性分布和朗伯分布中极角的直方图。

二维轴对称几何中改进的射线追踪

在计算二维轴对称模型中的射线强度时,与传播射线相关的波前现在视为球面波或椭球面波,而不是柱面波(柱面波仅对实际二维模型作了适当的简化)。换句话说,使用柱面波时计算所有射线有关方位方向的主曲率半径。这使二维轴对称模型中射线强度的计算更具有实际意义。

此外,这一改进中还包含了从边、点或在沿对称轴的指定坐标处释放射线的专门特征。在使用这其中任一个专门的释放特征时,内置的选项可用于释放呈各向异性半球的射线,由此每条射线都几乎包含三维中相同的立体角。

从对称轴释放射线的示例。 在使用此选项从对称轴上释放球形分布的射线时,径向上的射线所占权重较大,因此三维中每条射线对应的立体角大体相等。对称轴显示为红色实线。 在使用此选项从对称轴上释放球形分布的射线时,径向上的射线所占权重较大,因此三维中每条射线对应的立体角大体相等。对称轴显示为红色实线。
二维轴对称几何的示例。 二维轴对称模型中平面波的镜面反射。对称轴显示为红色实线。颜色表达式显示了射线强度。尽管边界是直边,但是射线经反射后强度增大了,因为出于计算波前曲率的考虑,边界视为回转面。 二维轴对称模型中平面波的镜面反射。对称轴显示为红色实线。颜色表达式显示了射线强度。尽管边界是直边,但是射线经反射后强度增大了,因为出于计算波前曲率的考虑,边界视为回转面。

射线轨迹带

现在可以将射线路径渲染为射线轨迹 图中的轨迹带。您可以指定轨迹带的方向和厚度。例如,在射线通过渐变折射率的介质传播时,轨迹带的方向可以与包含弯曲射线路径的平面垂直或平行。

COMSOL Multiphysics 5.3 版本中射线路径渲染为轨迹带的演示。 射线通过 Luneburg 透镜(渐变折射率的介质)传播。未通过透镜对称轴的射线遵循弯曲路径。图中轨迹带的方向与包含射线路径的平面垂直,颜色与射线强度成正比。 射线通过 Luneburg 透镜(渐变折射率的介质)传播。未通过透镜对称轴的射线遵循弯曲路径。图中轨迹带的方向与包含射线路径的平面垂直,颜色与射线强度成正比。

轨迹图中的额外时间步

在绘制射线轨迹时,现在可以更轻松地绘制与射线-壁相互作用的次数对应的额外时间步。这些额外时间步的数量现在可以从射线轨迹 图的“设置”窗口中直接控制。内置选项可用于直接指定额外时间步的最大数量,或指定为存储的求解次数的倍数。

四个包含不同额外时间步数的轨迹图。 随着轨迹图中的额外时间步数的增加,可以更清晰地看到每条射线从壁反射的次数。 随着轨迹图中的额外时间步数的增加,可以更清晰地看到每条射线从壁反射的次数。

射线探测器特征

射线探测器 特征是一个域或边界特征,提供有关射线从释放特征到达一组选定域或表面的信息。这其中包括已透射的射线的数量和透射率,或已透射的射线数与释放的射线数的比率等物理量。可以对所有射线计数,或仅对特定物理场特征释放的射线进行计数。此特征提供了便捷的表达式,可用于射线轨迹 图中的过滤器 属性,从而允许对到达指定一组域或边界的射线进行可视化处理。

以下变量使用特征标记 <tag> 定义了射线探测器 特征:

  • <tag>Nsel_:从释放特征透射到探测器的射线数
  • <tag>.alpha_:从释放特征透射到探测器的透射率
  • <tag>.rL_ :射线内含物的逻辑表达式;它可以设置在“射线轨迹”图的过滤器 属性中,用于对连接辐射源和检测器的射线作可视化处理
 


从点源以各向同性状释放的射线,产生镜面发射,最终撞击到吸收表面(标为红色)。使用 射线探测器可以轻松地定义过滤器表达式,仅显示撞击到吸收表面(底部)的射线。

物理场特征中的额外选择

对于光栅线性偏振器线性波延迟器Mueller 矩阵 等物理场特征,除了在物理场特征中选择边界外,有时还需要指定边选择。通常,这个边选择用于指明三维中衍射光栅或光学组件的方向。在先前版本的 COMSOL Multiphysics® 中,边选择是通过将参考边 子节点添加到物理场特征来指定的。而在 5.3 版本中,边选择已经移至父物理场特征的“设置”窗口中的专门栏中。这使用户界面的布局更清晰,用户可以在一个窗口中查看不同几何实体级别的选择。

指定线性偏振器方向时的 COMSOL Multiphysics 5.2a 版本的图形用户界面。

在 COMSOL Multiphysics® 5.2a 版本中,线性偏振器的方向通过添加 参考边子节点来指定。

在 COMSOL Multiphysics® 5.2a 版本中,线性偏振器的方向通过添加 参考边子节点来指定。
指定线性偏振器方向时的 COMSOL Multiphysics 5.3 版本的图形用户界面。

在 COMSOL Multiphysics® 5.3 版本中,线性偏振器的方向由 线性偏振器节点“设置”窗口中的第二个选择确定。

在 COMSOL Multiphysics® 5.3 版本中,线性偏振器的方向由 线性偏振器节点“设置”窗口中的第二个选择确定。

光学像差绘图的改进

使用光学像差 绘图在单位圆上绘制单色像差的线性组合图时,您可以指定单位圆的位置。用户输入多个单位圆的不同位置后,可以在“图形”窗口中同时查看多种像差。另外,光学像差 绘图现在还支持高度表达式 绘图属性。用它可以在三维画布中渲染二维像差图,高度与 Zernike 多项式的组合成正比。

“射线光学模块”中模拟的四种像差。 四个像差图,采用高度表达式和不同的单位圆位置。图中显示了球形像差(左上图)、散焦(右上图)、散光(左下图)和垂直彗差(右下图)。 四个像差图,采用高度表达式和不同的单位圆位置。图中显示了球形像差(左上图)、散焦(右上图)、散光(左下图)和垂直彗差(右下图)。

入口的坐标系选择

在使用入口 特征在边界处释放射线时,您可以使用对模型组件定义的任何坐标系来初始化粒子速度或动量。

新的射线组件耦合

此版本对几何光学 接口的每个实例自动创建了新的组件耦合,还更改了旧的组件耦合特性。例如,旧的组件耦合 gop.gopop1(expr) 现在自动排除了尚未释放的射线以及消失的射线。此类射线的自由度通常为非数(NaN),因此在对射线求和以及求平均值时可以很方便地将其自动排除。

名称 描述

gop.gopop1(expr)

基于活动射线、被困射线和冻结射线计算表达式 expr 的和

gop.gopop_all1(expr)

基于所有射线计算表达式 expr 的和

gop.gopaveop1(expr)

基于活动射线、被困射线和冻结射线计算表达式 expr 的平均值

gop.gopaveop_all1(expr)

基于所有射线计算表达式 expr 的平均值

gop.gopmaxop1(expr)

基于活动射线、被困射线和冻结射线计算表达式 expr 的最大值

gop.gopmaxop_all1(expr)

基于所有射线计算表达式 expr 的最大值

gop.gopminop1(expr)

基于活动射线、被困射线和冻结射线计算表达式 expr 的最小值

gop.gopminop_all1(expr)

基于所有射线计算表达式 expr 的最小值

gop.gopmaxop1(expr, evalExpr)

基于活动射线、被困射线和冻结射线计算表达式 expr 的最大值,然后再计算 evalExpr

gop.gopmaxop_all1(expr, evalExpr)

基于所有射线计算表达式 expr 的最大值,然后再计算 evalExpr

gop.gopminop1(expr, evalExpr)

基于活动射线、被困射线和冻结射线计算表达式 expr 的最小值,然后再计算 evalExpr

gop.gopminop_all1(expr, evalExpr)

基于所有射线计算表达式 expr 的最小值,然后再计算 evalExpr

基于射线状态的额外统计信息

在选中存储射线状态数据 复选框时,将定义下列新变量。

注:对于几何光学 接口中的实例,在编写表达式时使用标记 gop。物理场接口标记因此将根据不同的物理场接口而有所不同。

名称 表达式 描述

gop.ffr

gop.gopop1(gop.fs==2)

最终时间冻结的射线分数

gop.fst

gop.gopop1(gop.fs==3)

最终时间被困的射线分数

gop.fac

gop.gopop1(gop.fs==1)

最终时间活动的射线分数

gop.fds

gop.gopop1(gop.fs==4)

最终时间消失的射线分数

gop.fse

gop.gopop1(!primary&&gop.fs>0)/gop.Ms

最终时间释放的二次射线分数

指定射线释放时间的高级选项

现在您可以针对不同的射线输入释放时间范围。在前几版本中,所有射线都必须同时释放。要启用不同释放时间的明细,在几何光学 接口“设置”窗口的高级设置 栏中,选中允许多个释放时间 复选框。随后,在释放特征节点上,您就可以指定释放时间范围了。

双向耦合模型的基于收敛性的终止准则

对于使用双向耦合粒子追踪 研究步骤在稳态解和射线追踪解之间迭代的模型,现在要终止求解器循环,您可以基于收敛准则,而不是固定迭代次数。

新的 App:太阳能腔式接收器设计器

太阳能聚光器/腔式接收器系统可用于将入射太阳辐射聚焦到较小区域,从而产生热量密集。这些热能然后可以转换成电能或化学能。太阳能热发电系统中常见的品质因数是聚光比,即接收器表面或焦平面中的太阳能通量与环境太阳能通量的比率。

太阳能腔式接收器设计器是基于“碟式太阳能接收器”教学模型的可运行 App。在此 App 中,抛物面碟形太阳能接收器对入射的太阳能辐射进行反射,聚焦的太阳能辐射收集在小型腔体中。研究了总共六个不用的参数化腔式几何结构:圆柱形、圆顶形、异锥形、椭圆形、球形和圆锥形。其中还可以考虑几种不同类型的扰动,包括太阳能临边昏暗和表面粗糙度。对于每种腔式几何,内置的绘图显示焦平面上的通量分布和聚光比,以及腔体内表面的入射通量。

COMSOL Multiphysics 5.3 版本中新增的“太阳能腔式接收器设计器”App。
“太阳能腔式接收器设计器”App。显示的几何包含面向太阳的抛物线反射镜和一个异锥形的腔式接收器。 “太阳能腔式接收器设计器”App。显示的几何包含面向太阳的抛物线反射镜和一个异锥形的腔式接收器。


如需“太阳能腔式接收器设计器”App,请访问以下“案例库”路径:
Ray_Optics_Module/Applications/solar_dish_receiver_designer

新的教学模型:全内反射薄膜无色散移相器(TIRTF APS)

对于各种光学器件,改变光的偏振这一能力至关重要。例如,光的偏振对于光频隔离器、衰减器和分束器的性能会产生显著影响。光产生一定的偏振(多数情况下是线性或圆形偏振)后可以大幅度减少光学系统中的炫光。

操控偏振的其中一种最基本的方法是波延迟,即使电场的一个分量相对于传播光束中的正交电场分量产生一个相位延迟。在此教程中,全内反射现象用于设计和模拟在较宽光谱范围内相位几乎均匀延迟的无色散移相器或波延迟器。相位延迟受到两个介质间边界上薄电介质的影响。

此基准模型计算了单层和三层涂层的相位延迟角,并与发表的结果进行了比较。此原理可用于设计在较宽光谱范围内相位几乎均匀延迟的全内反射薄膜无色散移相器(TIRTF APS)。

来自“无色散移相器”教学模型的绘图。 根据自由空间波长绘制的相位延迟。如果多层电介质涂层应用在反射面上,则在较宽光谱范围内相位的延迟会更均匀。 根据自由空间波长绘制的相位延迟。如果多层电介质涂层应用在反射面上,则在较宽光谱范围内相位的延迟会更均匀。


如需“无色散移相器”教学模型,请访问以下“案例库”路径:
Ray_Optics_Module/Polychromatic_Light/achromatic_phase_shifter

新的教程模型:菲涅耳菱形镜

菲涅耳菱形镜是利用全内反射来操控光偏振的棱镜。在本例中,一束光入射到棱镜中发生内反射,入射角在 s 偏振辐射与 p 偏振辐射之间存在 45 度的相位延迟。经两次这样的反射后,棱镜使入射线偏振光转换为圆偏振光。

“射线光学模块”中“菲涅耳菱形镜”教学模型的绘图。 菲涅耳菱形镜中的射线反生椭圆偏振。最初射线呈线性偏振,偏振方向与入射平面成 45 度,发生一次反射后呈椭圆偏振,发生二次反射后呈圆形偏振。 菲涅耳菱形镜中的射线反生椭圆偏振。最初射线呈线性偏振,偏振方向与入射平面成 45 度,发生一次反射后呈椭圆偏振,发生二次反射后呈圆形偏振。


如需“菲涅耳菱形镜”教学模型,请访问以下“案例库”路径:
Ray_Optics_Module/Tutorials/fresnel_rhomb