射线光学模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.5 版本为“射线光学模块”的用户引入了多尺度建模功能,其中的新特征可以将“RF 模块”或“波动光学模块”的频域电磁学与射线光学相耦合,新增了可以简化后处理操作的专用点列图 绘图,并改进了光栅 边界条件,现在包含专用的交叉光栅 特征。请阅读以下内容,进一步了解“射线光学模块”的新增功能及其他更新。

多尺度电磁建模

新版本增加了两个射线释放功能,支持用户将“射线光学模块”与“RF 模块”或“波动光学模块”耦合,在“模型开发器”工作流程中无缝地集成起来,进行多尺度电磁建模。

COMSOL Multiphysics 中“基于电场释放”特征的“设置”窗口。 “基于电场释放”特征设置 “模型开发器”中射线追踪和全波建模的组合设置。

在本例中,多尺度是指同时在与波长相当的小尺度,以及比波长大得多的尺度上进行光学建模。其中,在波长尺度上使用有限元法 (FEM),对光的长距离传播使用射线追踪方法建模。

您可以使用新的基于电场释放 特征从表面发射光线,其初始强度和偏振取自相邻区域的电场。这使您可以使用电磁波,频域 接口或电磁波,波束包络 接口先模拟电磁波在与波长相当的距离上的传播,然后通过射线追踪将模型扩展为模拟更长的距离。同样,您也可以使用新的基于远场辐射方向图释放 特征,根据先前研究中定义的远场函数从点或点栅格向外发射光线。在释放光线时,可以通过指定欧拉角来转换辐射方向图,以便从许多不同的天线方向释放,而不必重新计算辐射方向图。

高斯光束模型(显示为灰度切面图),释放的射线显示为箭头和偏振椭圆。 高斯光束和释放的射线 本例使用 电磁波,波束包络接口对少量波长的高斯波束进行建模(灰度切面图)。然后,从建模域的边界释放射线,并沿射线绘制偏振椭圆。
偶极天线模型,其中射线在各个方向上向外释放。 具有释放射线的偶极天线 在频域建模的偶极天线,中心显示其远场辐射方向图。然后,在各个方向释放射线,并从该辐射方向图获取强度和偏振。
四种偶极天线模型,其中射线以不同的欧拉角组合进行释放。 射线以不同的欧拉角进行释放的偶极天线 偶极天线及其远场辐射方向图,其中射线以默认的欧拉角进行释放(左上角)。其余为射线从其他三个点以不同的欧拉角组合释放的情况。

以下模型使用了这一新功能:

“点列图”绘图

借助专用的点列图 绘图,您可以更轻松地绘制射线与表面的交点,从而显著加快射线光学模型的后处理速度。表面既可以是几何图形中的物理边界,也可以是通过三维交点 数据集创建的虚拟边界。

点列图 绘图包含的专用工具可用于定制和组织绘图,例如:

  • 过滤掉射线,使其不显示在绘图中
  • 根据波长或视场角对射线进行分类,使它们看起来像不同的点组成的阵列
  • 自动定位最小均方根 (RMS) 点尺寸的平面并在其中创建数据集
  • 显示文本注释,例如点尺寸、波长和位置
以彩虹色显示的双高斯透镜系统的点列图。 点列图:标称像平面 “双高斯透镜”系统标称像平面上的点列图。来自“案例库”中的“双高斯透镜”教学案例。
“双高斯透镜”系统的最佳聚焦点列图。 点列图:“最佳聚焦”平面 “双高斯透镜”系统“最佳聚焦”平面上的点列图。软件自动计算出相交平面的位置,使 RMS 点尺寸最小化。
由九个点列图组成的拼贴图,其中的点按波长排序。 白瞳阶梯光栅光谱仪的点列图 来自“案例库”中“白瞳阶梯光栅光谱仪”模型的点列图阵列。点按波长排序。

以下模型使用了这一新功能:

光学像差图的功能改进

光学像差 图现在包含新的设置,可供您更轻松地计算用于描述单色像差的泽尼克多项式系数。新增的内置滤波器选项可基于波长、反射次数或释放特征来移除射线。此外,还有一个新命令可以自动定义以 RMS 焦点为中心的参考半球。您可以在双高斯透镜牛顿望远镜结构分析模型中看到这一新功能的应用演示。

所有泽尼克多项式之和的光学像差图。 光学像差图:所有泽尼克多项式 双高斯透镜系统的 RMS 焦点中所有泽尼克多项式的和。该数据集由 COMSOL Multiphysics® 软件自动生成。
没有活塞项和散焦项的光学像差图。 光学像差图:不包含活塞项和散焦项 除活塞 (Z00) 项和散焦 (Z20) 项以外的所有泽尼克多项式的和。此时更容易看到球差 (Z40) 的影响。

交叉光栅特征

您可以使用新的交叉光栅 特征将边界处理成具有两个不同周期性方向的周期性子结构。与此相反,现有的光栅 节点支持一个周期性方向,并在正交方向将子结构视为均质。您可以在交叉光栅阶梯光栅光谱仪模型中看到这一新功能的应用演示。

COMSOL Multiphysics 中的“交叉光栅”特征设置,其中打开了“方程”栏。 “交叉光栅”特征设置 新的 交叉光栅特征“设置”窗口中的“方程”显示。

光栅功能改进

光栅 特征在 5.5 版本中进行了显著升级。现在,您可以单击添加衍射级 按钮,根据模型中所用射线的波长为光栅可能释放的所有衍射级自动创建子节点。此外,您还可以指定光栅的相对衍射级。这对闪耀光栅特别有用,在这种光栅中,具有最小相对级数的绝对衍射级是与闪耀角偏差最小的衍射级。您可以在白瞳阶梯光栅光谱仪模型中看到这一新功能的应用演示。

用于外部域和空域的空气模型

现在,您可以使用内置的 Edlen 模型将几何外部和未划分网格的域中的空白空间视为空气,该模型可以准确表示空气折射率随温度和压力的变化情况。基于此功能,您可以轻松地对光学系统进行建模,这些系统已针对大气条件而不是真空条件进行优化。外部域和未划分网格的域都必须均质的。外部温度和压力为标量输入,必须应用于整个区域。

COMSOL Multiphysics 中“几何光学”特征的“设置”窗口,其中显示 Air, Edlen 弥散模型处于选中状态。 “几何光学”特征设置 Air, Edlen (1953) 光色散模型可用于外部域和未划分网格的域。

以下模型使用了这一新功能:

新的释放类型:六边环型锥体

当您以锥体释放射线时,现在可以使用新的锥形分布 类型:六边环型。对于六边环型 锥体选项,射线从锥轴以均匀分布的角度释放,每个环比前一个环多六条射线。

光线呈圆锥形释放,用彩虹色箭头表示,从侧面看,箭头指向右侧。 六边环型锥体:侧视图 基于六边环型锥体释放,侧视图。
光线呈圆锥形释放,用彩虹色箭头表示,从正面看,箭头指向观察者。 六边环型锥体:前视图 基于六边环型锥体释放,前视图。

以下模型使用了这一新功能:

重命名的射线释放特征

COMSOL Multiphysics® 5.5 版本已重命名射线释放特征。入口 现在称为从边界释放轴上的入口(在二维轴对称模型中)现在称为从对称轴释放

COMSOL Multiphysics UI 5.5 版本 UI,显示了“从边界释放”和“从对称轴释放”射线释放特征。 显示更新的射线释放特征名称 二维轴对称几何中 几何光学接口中的边界特征选择。

新的多面镜零件

您现在可以使用“射线光学模块”的“零件库”将多面镜添加到几何中。这些新的多面镜称为“球形多面镜(三维)”、“同轴锥形多面镜(三维)”和“离轴锥形多面镜(三维)”。您可以在凯克望远镜模型中看到“离轴锥形多面镜(三维)”零件的应用演示。

十六个多面镜零件以黄色和灰色显示。 多面镜零件 新的多面镜零件与现有的反射镜零件类似。您可以指定边数和所得多边形的方向,从而得到球面、同轴锥面和离轴锥面的多面镜(均有可能)。

非球面透镜和反射镜零件

新版本对“射线光学模块”的“零件库”中的非球面透镜和反射镜进行了修正,并添加了多个新零件:

  • 偶次非球面透镜(三维)(改进后替代了“非球面透镜(三维)”,后者已移至旧零件)
  • 偶次非球面反射镜(三维)
  • 奇次非球面透镜(三维)
  • 奇次非球面反射镜(三维)
  • Q 型 Qbfs 非球面透镜(三维)
  • Q 型 Qbfs 非球面反射镜(三维)
  • Q 型 Qcon 非球面透镜(三维)
  • Q 型 Qcon 非球面反射镜(三维)

此处的“Q 型”表示一种用于定义透镜或反射镜表面凹陷的正交多项式基。"Qbfs" 和 "Qcon" 分别表示用于描述与“最佳拟合球面”和圆锥曲线的偏离量的多项式。与偶次和奇次非球面相比,定义 Q 型非球面的优势在于,所有多项式系数都具有相同的数量级,因此,由于舍入而导致数值误差的风险较小。您可以在微型相机模组施密特-卡塞格林望远镜模型中看到“偶次非球面透镜(三维)”的应用演示。

双合透镜和三合透镜零件

“射线光学模块”的“零件库”中新增了两个多重态透镜零件:“球面双合透镜(三维)”和“球面三合透镜(三维)”。对于这两个零件,用户可以指定各个透镜是黏合在一起,还是它们之间存在气隙。您可以在交叉光栅阶梯光栅光谱仪模型中看到“球面双合透镜(三维)”的应用演示。

在图表旁以灰色显示的三维球面双合透镜零件。 双合透镜零件 “球面双合透镜(三维)”零件。
在图表旁以灰色显示的三维球面三合透镜零件。 三合透镜零件 “球面三合透镜(三维)”零件。

预览栅格释放位置

现在,当您使用从栅格释放 特征从点栅格释放粒子时,可以在图形 窗口中预览粒子的初始位置。在设置 窗口的初始坐标 栏中,单击预览初始坐标 按钮可以查看作为点栅格显示的粒子初始坐标。单击预览初始范围 按钮可以查看初始坐标的空间范围(显示为边框)。通过这些按钮,您可以在运行研究之前检查粒子的初始位置。

此外,当您右键单击研究 节点并单击获取初始值 时,可以预览所有释放类型的粒子初始位置和速度。

COMSOL Multiphysics 模型 UI,其中的初始粒子坐标显示为点栅格。 显示为点栅格的初始粒子坐标 单击 预览初始坐标按钮后的 图形窗口。
COMSOL Multiphysics 模型 UI,其中初始粒子坐标的空间范围显示为一个边框。 初始粒子坐标的空间范围 单击 预览初始范围按钮后的 图形窗口。

各向同性散射壁条件

现在,您可以选择各向同性散射 作为粒子击中几何边界时的壁条件。与漫散射 条件类似,各向同性散射 条件使粒子在面法向周围以随机采样的速度方向进行反射。不过,漫散射 条件使用基于余弦定律的概率分布,而各向同性散射 条件遵循的概率分布在半球的任何微分立体角上都给出相等的通量。

图中将漫散射壁条件与各向同性散射壁条件进行比较。 散射壁条件比较 漫散射(左)与各向同性散射(右)壁条件的比较图。每侧显示的分布都包含 1000 个粒子。

新的教学案例和 App

5.5 版本新增了多个教学案例和 App。