Ray Optics Module

Software per simulazioni di Ray Tracing in sistemi otticamente grandi

Ray Optics Module

Questo modello mostra come tracciare i raggi della luce non polarizzata attraverso un telescopio newtoniano. La luce entrante viene riflessa da uno specchio parabolico verso uno specchio piano secondario, che la riflette a sua volta nel piano focale. Questo tipo di telescopio fu inventato da Newton nel 1668 ed è tutt'oggi in produzione grazie al suo basso costo di assemblaggio.

Calcolo efficace e versatile delle traiettorie dei raggi

È possibile utilizzare il Ray Optics Module per modellare la propagazione delle onde elettromagnetiche in sistemi in cui la lunghezza d'onda è molto inferiore al più piccolo dettaglio geometrico del modello. Le onde elettromagnetiche sono considerate come raggi che possono propagarsi attraverso mezzi omogenei o graduati. Dal momento che non è necessario risolvere la lunghezza d'onda con una mesh di elementi finiti, le traiettorie dei raggi possono essere calcolate su lunghe distanze ad un basso costo computazionale. I raggi possono anche subire riflessione e rifrazione ai contorni tra i diversi mezzi.

Semplice impostazione di modelli di ottica geometrica

Il Ray Optics Module è fornito con numerose condizioni al contorno, tra cui varie combinazioni di riflessione speculare e diffusa. I raggi possono essere rilasciati dall'interno dei domini, dai contorni oppure in una griglia uniforme di punti. Sono anche disponibili funzionalità di rilascio specializzate per la modellazione della radiazione solare e per il rilascio di raggi riflessi o rifratti da una superficie illuminata. Gli strumenti di postprocessing dedicati offrono molti modi per analizzare le traiettorie dei raggi, valutare le espressioni su molti raggi e persino visualizzare gli schemi di interferenza.


Altre immagini:

  • Un monocromatore Czerny-Turner separa spazialmente la luce policromatica in una serie di raggi monocromatica. Questo modello simula una configurazione Czerny-Turner incrociata costituita da uno specchio sferico di collimazione, un reticolo di diffrazione planare, uno specchio sferico di imaging e un rilevatore di matrice CCD (charge coupled device, dispositivo ad accoppiamento di carica). Il modello utilizza l'interfaccia Ottica geometrica per calcolare le posizioni dei raggi incidenti sul piano rilevatore, da cui si può derivare la risoluzione del dispositivo. Un monocromatore Czerny-Turner separa spazialmente la luce policromatica in una serie di raggi monocromatica. Questo modello simula una configurazione Czerny-Turner incrociata costituita da uno specchio sferico di collimazione, un reticolo di diffrazione planare, uno specchio sferico di imaging e un rilevatore di matrice CCD (charge coupled device, dispositivo ad accoppiamento di carica). Il modello utilizza l'interfaccia Ottica geometrica per calcolare le posizioni dei raggi incidenti sul piano rilevatore, da cui si può derivare la risoluzione del dispositivo.
  • Varie combinazioni di dispositivi ottici come polarizzatori e ritardatori di onda possono essere utilizzate per controllare l'intensità e la polarizzazione della radiazione trasmessa. In questo modello, due polarizzatori lineari con assi di trasmissione ortogonali vengono utilizzati per ridurre a zero l'intensità di un raggio. Quindi, l'intensità e la polarizzazione del raggio trasmesso vengono analizzate posizionando un ritardatore in quarto d'onda o mezz'onda tra i due polarizzatori. Varie combinazioni di dispositivi ottici come polarizzatori e ritardatori di onda possono essere utilizzate per controllare l'intensità e la polarizzazione della radiazione trasmessa. In questo modello, due polarizzatori lineari con assi di trasmissione ortogonali vengono utilizzati per ridurre a zero l'intensità di un raggio. Quindi, l'intensità e la polarizzazione del raggio trasmesso vengono analizzate posizionando un ritardatore in quarto d'onda o mezz'onda tra i due polarizzatori.
  • Un paraboloide può concentrare l'energia solare su un target (ricevitore), generando flussi termici locali molto elevati. Questo può essere utilizzato per produrre il vapore che alimenta un generatore o l'idrogeno usato direttamente come combustibile. In questo modello, il flusso termico in arrivo sul ricevitore come funzione della posizione radiale viene calcolato e confrontato ai valori pubblicati. Sono prese in considerazione anche le correzioni causate dalla dimensione finita del sole, dall'oscuramento al bordo e dalla rugosità superficiale della parabola. Un paraboloide può concentrare l'energia solare su un target (ricevitore), generando flussi termici locali molto elevati. Questo può essere utilizzato per produrre il vapore che alimenta un generatore o l'idrogeno usato direttamente come combustibile. In questo modello, il flusso termico in arrivo sul ricevitore come funzione della posizione radiale viene calcolato e confrontato ai valori pubblicati. Sono prese in considerazione anche le correzioni causate dalla dimensione finita del sole, dall'oscuramento al bordo e dalla rugosità superficiale della parabola.

Applicazioni di multifisica nell'ottica geometrica

Sforzi, variazioni termiche e altri parametri fisici spesso influenzano le traiettorie dei raggi, deformando la geometria del dominio o interessando gli indici di rifrazione all'interno dei domini. Allo stesso modo, i raggi ad alta potenza possono generare forti fonti di calore e interessare il campo di temperatura, provocando forti sollecitazioni termiche. Il Ray Optics Module è in grado di simulare queste applicazioni multifisiche.

Le funzioni di accumulatore applicate a domini e contorni consentono di creare variabili dipendenti che memorizzano le informazioni sui raggi nel dominio corrispondente o sugli elementi mesh del contorno. Sono inoltre disponibili versioni specializzate di queste funzionalità per calcolare la potenza dei raggi depositati nei domini a causa dell'attenuazione o ai contorni a causa dell'assorbimento. Queste funzioni di accumulatore consentono di impostare accoppiamenti mono- o bi-direzionali tra le traiettorie dei raggi e le variabili dipendenti create da altre interfacce fisiche al fine, ad esempio, di creare modelli autoconsistenti degli effetti di lente termica.

Funzioni di postprocessing dedicate all'analisi dei raggi

È possibile visualizzare i raggi nel Grafico delle Traiettorie, in cui si può definire una funzione per la scala di colore o una deformazione. Questo è utile, ad esempio, per deformare i raggi polarizzati e visualizzare l'ampiezza del campo elettrico istantaneo. Il Grafico dei Raggi consente di tracciare la proprietà di uno o più raggi rispetto al tempo o di confrontare due proprietà di un raggio in passi temporali specifici. Nel Grafico delle Interferenze è possibile osservare l'interferenza dei raggi polarizzati che intersecano un piano di taglio. Altri strumenti di postprocessing comprendono la Valutazione dei Raggi per generare tabelle di dati numerici, la mappa di Poincaré (mappa di primo ritorno) per osservare l'intersezione delle traiettorie del raggio con un piano e il Phase Portrait per tracciare variabili a raffronto per tutti i raggi come punti nello spazio di fase.

Strumenti integrati per analizzare l'intensità del raggio, la polarizzazione e molto altro

Il Ray Optics Module offre alcune interfacce specializzate per applicazioni particolari e numerose descrizioni fisiche denominate interfacce fisiche. L'interfaccia Ottica Geometrica include variabili opzionali per calcolare l'intensità del raggio mediante i parametri di Stokes, che consentono di modellare la radiazione polarizzata, parzialmente coerente o non polarizzata. La polarizzazione può essere modificata ai contorni con le condizioni al contorno specifiche di comuni componenti ottici, quali polarizzatori lineari e ritardatori di onda. Durante il calcolo dell'intensità, i raggi vengono considerati come fronti d'onda di cui calcolare i raggi di curvatura principali e ciò consente di visualizzare con facilità le superfici caustiche. Ai contorni tra i mezzi, i coefficienti di riflessione e trasmissione sono calcolati con le equazioni di Fresnel, con l'opzione di applicare le correzioni in base alla presenza di film dielettrici sottili. Quando interessa calcolare il campo elettrico istantaneo, ad esempio nel caso degli interferometri, si può attivare una variabile di fase. Altre impostazioni di interfaccia fisica consentono di calcolare la lunghezza del percorso ottico, rilasciare i raggi con una distribuzione di frequenza e migliorare la precisione delle traiettorie dei raggi in mezzi assorbenti.

Impostazione pratica del solutore con parametri ad hoc

Sebbene le traiettorie dei raggi siano calcolate nel dominio del tempo, non è sempre necessario specificare tutti i passi temporali. Lo step di studio Tracciamento Raggi consente di risolvere le traiettorie dei raggi specificando direttamente il campo desiderato per le lunghezze del percorso ottico. Per una maggiore efficienza dello studio si possono utilizzare le condizioni di arresto predefinite, per terminare il solutore tempo-dipendente nel caso in cui tutti i raggi abbiano abbandonato il dominio di modellazione o se l'intensità dei raggi restanti sia trascurabile, al fine di evitare passi temporali inutili per il solutore.

Michelson Interferometer

Vdara® Caustic Surface

Diffraction Grating

Gravitational Lensing

Solar Dish Receiver

Thermally Induced Focal Shift

Anti-reflective Coating, Multilayer

Corner Cube Retroreflector

Distributed Bragg Reflector

Czerny-Turner Monochromator