Ray Optics Module

Simulare il Ray Tracing in sistemi otticamente grandi

Il Ray Optics Module è un prodotto aggiuntivo del software COMSOL Multiphysics® che permette di modellare la propagazione delle onde elettromagnetiche con un approccio ray tracing. Le onde che si propagano sono trattate come raggi che possono essere riflessi, rifratti o assorbiti. Questo trattamento della radiazione elettromagnetica utilizza approssimazioni che sono appropriate quando la geometria è grande rispetto alla lunghezza d'onda.

La combinazione del Ray Optics Module con altri moduli della suite di prodotti COMSOL permette il ray tracing nei gradienti di temperatura e nelle geometrie deformate, permettendo un'analisi ad alta fedeltà delle prestazioni strutturali, termiche e ottiche (STOP) in un unico ambiente di simulazione.

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Modello spettrografico che mostra il diagramma dei raggi in rosso, verde e blu.

Analisi STOP

I sistemi ottici possono essere estremamente sensibili ai cambiamenti nel loro ambiente, tra cui le alte quote, lo spazio, gli ambienti subacquei e gli impianti laser e nucleari. Tali sistemi ottici sono soggetti a carichi strutturali e temperature estreme. Il modo più accurato per catturare completamente questi effetti ambientali è la simulazione numerica attraverso un'analisi STOP. Con il software COMSOL Multiphysics®, è possibile combinare gli effetti strutturali, termici e ottici in un unico modello, in modo che i raggi vengano tracciati nella geometria deformata indotta dallo stress termico, mentre i modelli integrati dei materiali tengono conto della dipendenza dalla temperatura dell'indice di rifrazione.

Si può anche combinare il Ray Optics Module con altri moduli aggiuntivi che offrono una maggiore capacità di modellazione strutturale e termica; per esempio, per tenere conto di radiazione termica, trasferimento di calore coniugato, materiali iperelastici e piezoelettricità.

Cosa è possibile modellare con il Ray Optics Module

Eseguire analisi di ray-tracing ottico con il software COMSOL®.

Visualizzazione in primo piano di un modello a doppia lente di Gauss che mostra le traiettorie dei raggi e l'indice di rifrazione della d-line.

Lenti

Analizzare le aberrazioni monocromatiche in un sistema ottico.

Visualizzazione in primo piano di un modello di fotocamera compatta che mostra le traiettorie dei raggi.

Macchine fotografiche

Progettare moduli di telecamere con diverse superfici asferiche.

Visualizzazione in primo piano di un modello di cavità laser bow-tie che mostra le traiettorie dei raggi.

Cavità laser

Prevedere la stabilità del laser con capacità di ray tracing.

Visualizzazione in primo piano di un sistema di messa a fuoco laser con traiettorie dei raggi.

Sistemi di focalizzazione laser

Traccia i raggi attraverso sistemi di focalizzazione laser ad alta potenza.

Visualizzazione in primo piano di un modello a rombo di Fresnel che mostra la propagazione dei raggi.

Prismi e rivestimenti

Manipolare la polarizzazione della luce utilizzando un formalismo di Stokes–Mueller incorporato.

Visualizzazione in primo piano di un modello di telescopio newtoniano che mostra la deformazione e le traiettorie dei raggi.

Telescopi

Analizzare i raggi di luce attraverso vari sistemi di telescopi.

Visualizzazione in primo piano di un modello di hotel che mostra le superfici caustiche al suolo.

Radiazione solare

Analizzare i raggi riflessi e i sistemi di concentratori/ricevitori di parabole solari.

Visualizzazione in primo piano di un modello monocromatore che mostra il diagramma dei raggi.

Spettrometri e monocromatori

Separare la luce policromatica usando reticoli o mezzi dispersivi.

Visualizzazione in primo piano di un modello di interferometro con raggi di propagazione.

Interferometri

Modellare le interazioni dei raggi con superfici traslanti e rotanti.

Visualizzazione in primo piano di un modello di lente per microlitografia che mostra i raggi di propagazione.

Litografia UV

Focalizzare i raggi ultravioletti in un punto submicronico su un substrato di silicio.

Caratteristiche e funzionalità del Ray Optics Module

Il Ray Optics Module usa un approccio di ray tracing per modellare la propagazione della luce e la radiazione elettromagnetica.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Geometrical Optics evidenziato e una doppia lente Gauss nella finestra Graphics.

Ottica geometrica

L'ottica geometrica può essere usata per modellare la propagazione di onde elettromagnetiche in strutture otticamente grandi. L'interfaccia Geometrical Optics include la gestione integrata dell'intensità e della polarizzazione dei raggi. Il calcolo dell'intensità utilizza una forma di calcolo di Stokes–Mueller che rende facile tenere traccia dei raggi completamente polarizzati, non polarizzati e parzialmente polarizzati.

Un algoritmo flessibile di ray tracing permette ai raggi di propagarsi sia attraverso mezzi omogenei che graded-index (GRIN). I raggi possono anche essere monocromatici o policromatici, ed è possibile specificare una distribuzione di lunghezze d'onda o inserire un insieme di valori discreti.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Loaded Part evidenziato e la finestra Settings corrispondente.

Geometrie di lenti e specchi

Il Ray Optics Module include una libreria di parti geometriche essenziali, come specchi, lenti, prismi e stop di apertura. Ognuna di queste parti è completamente parametrizzata, e molte di esse includono varianti con diverse combinazioni di parametri di input in modo che possano essere convenientemente modificate per adattarsi a un progetto ottico.

Per esempio, si può inserire uno specchio sferico o conico nella sequenza geometrica, specificare se la superficie è concava o convessa, inserire il suo raggio di curvatura e poi specificare il diametro chiaro, il diametro pieno e il diametro del piano (se presente). Questi input possono essere regolati manualmente o eseguendo uno studio Parametric Sweep. Inoltre, le parti possono essere orientate rispetto alle parti precedentemente inserite usando i piani di lavoro integrati, e le parti possono creare automaticamente selezioni con nome per assegnare facilmente le condizioni al contorno alle superfici corrette.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Grating evidenziato e uno spettrografo nella finestra Graphics.

Caratteristiche versatili e intuitive

I raggi rilevano automaticamente i confini della geometria nel loro percorso senza la necessità di specificare l'ordine delle interazioni tra raggio e confine. Quando un raggio raggiunge una superficie, può essere riflesso in modo diffuso o speculare, rifratto o assorbito. Si possono anche assegnare interazioni di confine condizionate o scegliere casualmente tra due diverse interazioni di confine con una data probabilità.

Ai confini tra mezzi dielettrici, ogni raggio incidente è deterministicamente diviso in raggi riflessi e rifratti. Anche la riflessione interna totale viene rilevata automaticamente. Se l'intensità del raggio è risolta, viene automaticamente aggiornata per i raggi riflessi e rifratti secondo le equazioni di Fresnel. Si possono anche definire sottili strati dielettrici sulle discontinuità del materiale, che possono essere usati come filtri, rivestimenti antiriflesso o specchi dielettrici.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Illuminated Surface evidenziato e due modelli di riflettori nella finestra Graphics.

Meccanismi di rilascio dei raggi

I raggi possono essere inizializzati inserendo direttamente le loro coordinate, importando le coordinate da un file di testo o rilasciando i raggi da entità geometriche selezionate. I raggi possono essere rilasciati da qualsiasi selezione di domini, confini, bordi o punti nella geometria. Ci sono anche funzioni dedicate per produrre la radiazione solare in una posizione specificata sulla superficie terrestre o per rilasciare raggi riflessi o rifratti da un contorno illuminato.

Quando si risolve l'intensità dei raggi, essa può essere inizializzata utilizzando un'espressione o caricando un file di dati fotometrici (in particolare un file IES) nel modello. Sono disponibili ulteriori funzioni di rilascio dei raggi predefinite per modellare la radiazione di corpo nero e la propagazione del fascio gaussiano. In ogni posizione di rilascio, i raggi possono essere proiettati in una direzione specificata dall'utente, o un numero di direzioni diverse può essere campionato da una distribuzione sferica, emisferica, conica o lambertiana.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il Nodo Ray Heat Source evidenziato e due lenti nella finestra Graphics.

Riscaldamento dei raggi

L'interfaccia Ray Heating è usata per modellare la propagazione di onde elettromagnetiche in sistemi otticamente grandi dove i raggi e la distribuzione della temperatura sono accoppiati bidirezionalmente, o a due vie. L'energia persa a causa dell'attenuazione dei raggi in un mezzo assorbente crea una fonte di calore che è inclusa nel calcolo della temperatura.

Visualizzazione in primo piano della finestra Settings del nodo Medium Properties e un modello a doppia lente Gauss nella finestra Graphics.

Modelli di dispersione ottica e termo-ottica

L'indice di rifrazione di ogni mezzo può essere specificato direttamente o derivato da una relazione di dispersione ottica. I coefficienti di dispersione, come i coefficienti di Sellmeier, possono essere caricati da un database di materiali o inseriti direttamente in un materiale definito dall'utente. L'indice di rifrazione può essere complesso: la parte reale determina la velocità della luce nel mezzo, mentre la parte immaginaria causa l'attenuazione o il guadagno del raggio.

Sono disponibili anche coefficienti di dispersione termo-ottica per regolare l'indice di rifrazione in base alla temperatura. C'è anche un modello di dispersione Sellmeier dipendente dalla temperatura che combina la dipendenza dalla temperatura e dalla lunghezza d'onda in un unico insieme di coefficienti Sellmeier, che è particolarmente utile per i materiali criogenici.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Material evidenziato e un modello di lente Petzval nella finestra Graphics.

Libreria dei materiali ottici

La libreria di materiali ottici include dati per vetri di SCHOTT AG, CDGM Glass Company Ltd., Ohara Corporation e Corning Inc. insieme a gas, metalli e polimeri assortiti. Per la maggior parte di questi vetri ottici, l'indice di rifrazione è dato in funzione della lunghezza d'onda attraverso un insieme di coefficienti di dispersione ottica.

Oltre all'indice di rifrazione, molti dei vetri ottici nella libreria dei materiali ottici forniscono anche proprietà strutturali e termiche come la densità, il modulo di Young, il rapporto di Poisson, il coefficiente di espansione termica lineare, la conduttività termica e la capacità termica specifica. L'inclusione di queste proprietà strutturali e termiche facilita ulteriormente l'analisi STOP accoppiata. La trasmittanza interna del vetro è anche tabulata come funzione della lunghezza d'onda, così è possibile prevedere anche l'attenuazione della luce nel mezzo.

Visualizzazione in primo piano di un diagramma dei punti e di un diagramma delle aberrazioni in due finestre Graphics.

Visualizzazione delle prestazioni ottiche

Con gli strumenti di postprocessing di COMSOL Multiphysics®, avete la possibilità di creare risultati di simulazione visivamente piacevoli e informativi. Potete tracciare i raggi come linee, tubi, punti e vettori in 2D o 3D, e colorare i raggi con un'espressione arbitraria che può variare tra diversi raggi e anche lungo il percorso di ogni raggio. Quando si risolve l'intensità dei raggi, si possono anche tracciare ellissi di polarizzazione lungo i raggi.

Il software COMSOL Multiphysics® fornisce anche la flessibilità necessaria per mostrare qualcosa di più dei soli percorsi dei raggi, con altri grafici dedicati per visualizzare le frange di interferenza e per decomporre la differenza di percorso ottico in termini di aberrazione monocromatica individuale. Potete anche tracciare i punti di intersezione dei raggi con un piano, una sfera, un emisfero o una superficie più specializzata.

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