Simula il ray tracing in sistemi otticamente grandi con il Ray Optics Module

Software di tracciamento di raggi ottici

Il Ray Optics Module è un componente aggiuntivo del software COMSOL Multiphysics® che consente di modellare la propagazione delle onde elettromagnetiche con un approccio di ray tracing. Le onde di propagazione sono trattate come raggi che possono essere riflessi, rifratti o assorbiti ai contorni nella geometria del modello. Questo trattamento delle radiazioni elettromagnetiche utilizza approssimazioni 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® consente il ray tracing nei gradienti di temperatura e nelle geometrie deformate, permettendo analisi di prestazioni strutturali termiche-ottiche ad alta fedeltà (STOP) all'interno di un singolo ambiente di simulazione.

Cosa troverai nel Ray Optics Module

Il Ray Optics Module fornisce strumenti specifici per la modellazione dei raggi ottici, in concerto con le funzionalità principali della piattaforma software COMSOL Multiphysics®.

Il Ray Optics Module include strumenti per la modellazione di:

  • Illuminazione per automotive
  • Illuminazione di edifici e stanze
  • Telecamere
  • Lenti a indice graduale (GRIN)
  • Interferometri
  • Analisi della stabilità di cavità laser
  • Sistemi di messa a fuoco laser
  • Sistemi Lidar
  • Filtri ottici
  • Monocromatori
  • Radiazione solare e energy harvesting
  • Spettrometri
  • Analisi di prestazioni strutturali termo-ottiche (STOP)
  • Telescopi
  • Lensing termico


Accoppiamenti multifisici:

Incluso con il Ray Optics Module:

  • Sorgente di calore da raggi

Caratteristiche e funzionalità del Ray Optics Module

Esplora le funzionalità del Ray Optics Module nel dettaglio espandendo le sezioni seguenti.

Il Ray Optics Module include una Part Library con parti geometriche essenziali, compresi specchi, lenti, prismi e diaframmi. Ognuna di queste parti è completamente parametrizzata, e molte di queste includono varianti con diverse combinazioni di parametri di input in modo che possano essere opportunamente modificate per adattarsi a un progetto ottico.

Per esempio, è possibile inserire uno specchio sferico o conico nella sequenza geometrica, specificare se la superficie è concava o convessa, inserire il suo raggio di curvatura e quindi specificare i diametri caratteristici (clear, full e flat 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 utilizzando piani di lavoro incorporati e possono creare automaticamente selezioni nominate per assegnare facilmente condizioni al contorno alle superfici corrette.

La Part Library per il Ray Optics Module include quanto segue:

  • Lenti
    • Sferiche
    • Cilindriche
    • Asferiche
    • Doublet
  • Specchi
    • Sferici
    • Conici in- e fuori-asse
    • Planari
  • Diaframmi
    • Circolari
    • Rettangolari
  • Concentratori parabolici composti
    • Assialsimmetrici
    • Trough
  • Separatori di fascio
  • Prismi
  • Retroriflettori
Raccolta di parti geometriche incluse nel Ray Optics Module. La Part Library del Ray Optics Module include un'ampia varietà di parti geometriche, compresi: specchio planare ellittico (1), concentratore parabolico composto (2), lente sferica (3), specchio sferico (4), diaframma rettangolare e circolare (5), specchio conico fuori asse (6) e retroriflettore a spigolo di cubo (7).
Visualizzazione dei raggi in un telescopio newtoniano. Raggi in un telescopio newtoniano con uno specchio primario sferico e uno specchio secondario ellittico piatto.
Visualizzazione dei raggi in un modello del Telescopio Spaziale Hubble. Raggi nel Telescopio Spaziale Hubble, che utilizza una geometria Ritchey-Chrétien standard composta da due specchi conici in asse.

L'indice di rifrazione di ciascun 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 o inseriti direttamente in un materiale definito dall'utente. L'indice di rifrazione può essere complesso, laddove la parte reale determina la velocità della luce nel mezzo, mentre la parte immaginaria provoca attenuazione o guadagno del raggio.

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

Un grafico a sezioni di un sistema a doppia lente di Gauss. Un sistema a doppia lente di Gauss mostrato come una sezione 2D. Le sei lenti sono fatte di tre vetri diversi (mostrati in blu, verde, e rosso) che hanno coefficienti di dispersione ottica diversi.

I raggi rilevano automaticamente i contorni geometrici durante il loro percorso, senza la necessità di specificare l'ordine delle interazioni raggio-contorno. Quando un raggio raggiunge una superficie, può essere riflesso specularmente, diffuso, rifratto o assorbito. È anche possibile assegnare ai contorni interazioni condizionali o scegliere casualmente tra due diverse interazioni al contorno con una determinata probabilità.

Alle interfacce tra i mezzi dielettrici, ogni raggio incidente è diviso deterministicamente in raggi riflessi e rifratti. Anche la riflessione interna totale viene rilevata automaticamente. Se è calcolata l'intensità dei raggi, questa viene automaticamente aggiornata per i raggi riflessi e rifratti in base alle equazioni di Fresnel. È anche possibile definire strati dielettrici sottili su discontinuità di materiali, che possono essere usati come filtro, rivestimento antiriflesso o specchi dielettrici.

Il modulo Ray Optics include condizioni al contorno per:

  • Assorbimento
  • Grating di diffrazione
  • Scattering diffuso (Lambertiano)
  • Componenti ottici predefiniti
    • Polarizzatori lineari
    • Ritardatori d'onda lineari
    • Ritardatori d'onda circolari
    • Depolarizzatori
    • Matrici di Mueller definite dall'utente
  • Riflessione/rifrazione alle interfacce tra dielettrici
    • Rilevazione automatica della riflessione interna totale (TIR)
    • Reinizializzazione dell'intensità dei raggi secondo le equazioni di Fresnel
    • Rivestimenti dielettrici sottili a strato singolo o multistrato su qualsiasi superficie
  • Riflessione speculare
Visualizzazione dei raggi in uno spettrografo Échelle white pupil. Uno spettrografo Échelle white pupil è modellato impiegando due specchi, due reticoli di diffrazione e un sistema di lenti Petzval, combinati per ordinare i raggi in una matrice 2D di punti in base alla loro lunghezza d'onda.

I raggi possono essere inizializzati inserendo direttamente le loro coordinate, importandole da un file di testo o rilasciando raggi da entità geometriche selezionate. I raggi possono essere rilasciati da qualsiasi selezione di domini, contorni, bordi o punti nella geometria. Sono disponibili anche funzioni dedicate per produrre radiazioni solari in una posizione specifica sulla superficie terrestre o per rilasciare raggi riflessi o rifratti da un contorno illuminato.

Quando si risolve l'intensità dei raggi, questa può essere inizializzata tramite un'espressione o caricando un file di dati fotometrici (in particolare un file IES) nel modello.

A ogni posizione di rilascio, i raggi possono essere lanciati in una direzione specificata dall'utente, o si può campionare un numero di direzioni diverse da una distribuzione sferica, semisferica, conica o lambertiana.

Uno screenshot della GUI del software COMSOL con aperto un modello di una ricevitore solare parabolico. Traiettorie dei raggi e potenza depositata nel piano focale per un sistema di ricezione di parabole solari in condizioni ideali (sinistra) e condizioni reali (destra), tenendo conto della rugosità superficiale e dell'oscuramento dei contorni solari.

I raggi possono propagarsi attraverso mezzi a indice sia omogeneo che graduato (GRIN). Possono anche essere monocromatici o policromatici: è possibile specificare una distribuzione di lunghezze d'onda o inserire un insieme di valori discreti.

Per risolvere ulteriori quantità lungo i percorsi del raggio, l'interfaccia Geometrical Optics integra il calcolo dell'intensità dei raggi e della polarizzazione. Il calcolo dell'intensità utilizza una forma del calcolo di Stokes-Mueller che rende facile tenere traccia di raggi totalmente polarizzati, non polarizzati e parzialmente polarizzati.

Visualizzazione di un fascio incidente collimato focalizzato attraverso una lente di Luneburg. Un raggio collimato incidente è focalizzato in un punto sull'altro lato di questa lente di Luneburg, un tipo di lente a indice graduato a simmetria sferica (GRIN).

Gli strumenti di postprocessing di COMSOL Multiphysics® offrono la possibilità di creare risultati visivamente gradevoli e informativi. È possibile 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 persino lungo il percorso di ciascun raggio. Quando si calcola l'intensità dei raggi, è possibile anche tracciare le ellissi di polarizzazione lungo le traiettorie.

COMSOL Multiphysics® offre inoltre la flessibilità necessaria per mostrare qualcosa di più dei semplici percorsi dei raggi: grazie ad altri grafici dedicati è possibile visualizzare le frange di interferenza e decomporre la differenza del percorso ottico in singoli termini di aberrazione monocromatica. È anche possibile tracciare i punti di intersezione dei raggi con un piano, una sfera, un emisfero o una superficie specializzata.

Immagine della GUI di COMSOL Multiphysics con aperto un modello di spettrometro Czerny-Turner. Diagramma dei raggi di uno spettrometro Czerny incrociato; configurazione di Turner con raggi colorati a seconda della lunghezza d'onda (sinistra) e un grafico 1D della risoluzione spettrale in funzione della lunghezza d'onda (destra).
Un esempio di analisi di stabilità eseguita in COMSOL. Analisi di stabilità di una cavità laser in una configurazione a bowtie simmetrico. Nel grafico 1D, i risultati del tracciamento dei raggi sono confrontati con la stabilità della cavità prevista dalla teoria della matrice ABCD. Il diagramma dei raggi mostra una configurazione stabile (un valore di parametro per il quale la stabilità è 1 perché il raggio rimane intrappolato).

Dopo aver costruito un modello di tracciamento di raggi, grazie all'Application Buildeer vi sono moltissime altre opportunità disponibili per semplificare ulteriormente il flusso del lavoro di simulazione. Per esempio, si possono limitare gli input e controllare gli output del modello, parametrizzare la geometria del modello e generare report a partire da template.

Potrete utilizzare le app per eseguire i vostri test più rapidamente o distribuire le app agli altri membri del vostro team perché possano svolgere i loro test, lasciando a voi tempo e risorse per altri progetti. Il processo è semplice:

  1. Trasformate il vostro modello di ottica geometrica in una semplice interfaccia utente (un'app)
  2. Personalizzate l'app in base alle vostre esigenze selezionando input e output disponibili per gli utenti dell'app
  3. Utilizzate i prodotti COMSOL Server™ o COMSOL Compiler™ per renderle accessibili agli altri membri del team
  4. Consentite al vostro team di eseguire analisi sul progetto senza bisogno di ulteriore assistenza

Attraverso le app di simulazione potrete estendere la capacità di eseguire simulazioni ai colleghi del vostro team, della vostra organizzazione o istituto, e anche ai vostri clienti e fornitori.

Screenshot di un'app di simulazione utilizzata per progettare ricevitori solari parabolici. Il modello del ricevitore solare parabolico, trasformato in un'app di simulazione, diventa più accessibile per la progettazione di ricevitori solari parabolici anche senza conoscere la fisica sottostante.

Progettazione ottica e diagnostica per il mondo reale

I sistemi ottici possono essere estremamente sensibili ai cambiamenti nel loro ambiente, soprattutto quando si opera in condizioni estreme come sott'acqua o nello spazio. Si possono creare simulazioni ottiche ad alta fedeltà usando il software COMSOL Multiphysics® e il prodotto aggiuntivo dedicato Ray Optics Module. Il fattore ambientale più ovvio è la temperatura, poiché gli indici di rifrazione della maggior parte dei materiali seguono una qualche forma di relazione di dispersione termo-ottica. Deformazioni fisiche nel sistema ottico, a causa dello stress termico o di altri carichi applicati, possono anche influenzare significativamente la qualità dell'immagine. È possibile tenere conto senza difficoltà di tutti questi fenomeni multifisici in un unico ambiente integrato di modellazione, semplificando l'accoppiamento tra analisi strutturale e termo-ottica (STOP). È inoltre possibile combinare il Ray Optics Module con altri moduli aggiuntivi che offrono ulteriori funzionalità di modellazione strutturale e termica, per tenere conto ad esempio di radiazione termica, scambio termico coniugato, materiali iperelastici e piezoelettricità.

Vdara è un marchio registrato di CityCenter Land, LLC.



Vdara è un marchio registrato di CityCenter Land, LLC.

Ogni esigenza di business e di simulazione è diversa. Per valutare se il software COMSOL Multiphysics® soddisfa o meno le vostre esigenze, non dovete fare altro che contattarci. Parlando con uno dei nostri tecnici commerciali, riceverete consigli personalizzati ed esempi completamente documentati per aiutarvi a ottenere il massimo dalla vostra valutazione e guidarvi a scegliere l'opzione di licenza migliore per soddisfare le vostre esigenze.

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