Aggiornamenti del Ray Optics Module
Per gli utenti del Ray Optics Module, COMSOL Multiphysics® versione 5.3 propone la nuova funzione Ray Termination per eliminare i raggi non necessari, l'importazione di dati fotometrici e una nuova app di simulazione per progettare un ricevitore solare. Gli aggiornamenti del Ray Optics Module sono descritti in dettaglio qui di seguito.
Funzionalità Ray Termination
La nuova funzionalità Ray Termination è utile per eliminare i raggi senza doverli fermare su un contorno. I raggi possono essere terminati quando escono da un volume di controllo, che può basarsi sulla geometria o sui limiti spaziali definiti dall'utente. È possibile utilizzare la funzionalità Ray Termination per eliminare le informazioni non necessarie sui percorsi dei raggi e per eliminare l'ingombro dai grafici delle traiettorie. Al di là dei vincoli geometrici, i raggi possono essere terminati se hanno un'intensità o una potenza inferiore a una soglia specificata o se si allontanano troppo dalla geometria del modello. Questa funzione è utile per evitare l'utilizzo di eccessive risorse di calcolo su raggi che si sono attenuati per la presenza di mezzi assorbenti e su raggi di intensità estremamente bassa a causa dell'interazione con superfici curve.
Un fascio collimato è focalizzato da una lente convessa non rivestita. La funzione Ray Termination è utilizzata per terminare la stray light riflessa dalle superfici della lente. L'espressione di colore è proporzionale al logaritmo dell'intensità dei raggi.
Raggi che si propagano attraverso due lenti convesse con lunghezze focali di 200 mm (in alto) e 100 mm (in basso). I raggi che passano attraverso la lente con una lunghezza focale minore perdono intensità più rapidamente oltre il punto focale, quindi vengono terminati dalla funzione Ray Termination, mentre i raggi che passano attraverso la lente con una lunghezza focale maggiore continuano a propagarsi.
Importazione di file di dati fotometrici
È possibile specificare distribuzioni non uniformi di intensità e potenza dei raggi importando file di dati fotometrici in un modello di ottica geometrica. La funzione File di dati fotometrici supporta l'estensione .ies, il formato standard dei file di dati fotometrici della Illuminating Engineering Society of North America (IESNA). Per utilizzare questa funzionalità, selezionare Photometric Data Import per Intensity initialization nella sezione Total Source Power del nodo Release from Grid.
Un file di dati fotometrici importato in un modello genera un insieme di funzioni utilizzate per inizializzare l'intensità e la potenza dei raggi come funzione della direzione iniziale. È possibile specificare le direzioni fotometrica orizzontale e fotometrica zero, che indicano l'orientamento della lampada secondo gli standard IES.
I raggi sono rilasciati con distribuzione emisferica attorno all'asse z. L'espressione di colore è proporzionale all'intensità dei raggi, che viene generata dal file di dati fotometrici importato.
Varianti di parti geometriche
Esistono ora diversi modi per specificare le dimensioni delle parti geometriche nella Part Library dedicata del Ray Optics Module. Si può selezionare una combinazione a piacere dei parametri di input o part variants, da utilizzare quando si carica la parte nel modello. Quando si sceglie Add to Geometry, si visualizza una finestra di dialogo che chiede di selezionare la variante della parte.
Nuove parti geometriche: Concentratori parabolici composti
La Part Library del Ray Optics Module include ora un concentratore parabolico composto (CPC). Il CPC ha superfici paraboliche abbastanza vicine tra loro, in modo che l'estremità di ciascun lato si trovi nel punto focale del lato opposto. La luce incidente con un angolo qualsiasi inferiore a quello specificato, chiamato il semiangolo di accettazione, sarà sempre trasmessa attraverso il concentratore. Ciò lo rende uno strumento utile per focalizzare la radiazione entrante da diverse direzioni.
Quando i raggi sono incidenti con un angolo uguale al semiangolo di accettazione del CPC, convergono verso il fuoco sul lato opposto.
I raggi vengono rilasciati nel CPC con una distribuzione conica. Poiché l'angolo del cono è inferiore al semiangolo di accettazione, tutti i raggi sono collimati dalle superfici paraboliche e raggiungono l'uscita (la linea blu)
Emissione lambertiana
Le funzionalità di rilascio dei raggi includono ora un'opzione di rilascio in 3D con una distribuzione delle direzioni iniziali basata sulla legge di Lambert. I raggi vengono rilasciati con direzioni iniziali basate sulla legge di Lambert.
La legge di Lambert afferma che la probabilità che un raggio sia rilasciato attraverso un elemento di angolo solido differenziale dω con angolo polare θ è proporzionale a cos θ. A confronto, nella distribuzione emisferica isotropa, è altrettanto probabile che il raggio venga rilasciato attraverso un angolo solido differenziale qualsiasi nell'emisfero.
Confronto delle distribuzioni dei raggi in un rilascio emisferico isotropo (a sinistra) e in uno lambertiano (a destra).
Istogramma degli angoli polari nelle distribuzioni isotropa e lambertiana.
Tracciamento raggi migliorato in geometrie assialsimmetriche 2D
Quando si calcola l'intensità dei raggi in modelli assialsimmetrici 2D, il fronte d'onda associato al raggio propagante viene ora considerato un'onda sferica o ellissoidale, non più, come in precedenza, un'onda cilindrica (che rappresenta una semplificazione adeguata solo nei modelli esattamente 2D). In altre parole, il raggio di curvatura principale associato alla direzione azimutale è calcolato per tutti i raggi. Ciò consente calcoli più realistici dell'intensità dei raggi in modelli assialsimmetrici 2D.
Inoltre, sono ora disponibili funzionalità dedicate per rilasciare i raggi da lati, punti o coordinate specifiche lungo l'asse di simmetria. Quando si utilizza una di queste funzionalità di rilascio dedicate, è disponibile un'opzione per rilasciare i raggi in un emisfero anisotropo, in modo che ciascun raggio sottenda più o meno lo stesso angolo solido in 3D.
Quando si utilizza l'opzione per rilasciare una distribuzione sferica di raggi dall'asse di simmetria, i raggi hanno un peso maggiore in direzione radiale, in modo che l'angolo solido sotteso da ciascun raggio in 3D sia all'incirca uguale. L'asse di simmetria è mostrato come una linea rossa piena.
Riflessione speculare di un'onda piana in un modello 2D assialsimmetrico. L'asse di simmetria è mostrato come una linea rossa piena. La mappa di colore mostra l'intensità dei raggi. Anche se il contorno è un lato diritto, i raggi aumentano di intensità dopo la riflessione, perché il contorno è trattato come una superficie di rivoluzione per il calcolo delle curvature del fronte d'onda.
Nastri sulle traiettorie dei raggi
È ora possibile rappresentare i percorsi dei raggi sotto forma di nastri nei grafici Ray Trajectories. È possibile specificare l'orientamento e lo spessore del nastro. Ad esempio, quando i raggi si propagano attraverso mezzi graded index, i nastri possono essere orientati in modo normale o parallelo al piano contenente i percorsi dei raggi curvi.
La propagazione dei raggi attraverso una lente di Luneburg, un mezzo graded index. I raggi che non passano per l'asse di simmetria della lente seguono percorsi curvi. Qui, l'orientamento del nastro è normale al piano che contiene i percorsi dei raggi e il colore è proporzionale all'intensità dei raggi.
Passi temporali aggiuntivi nei grafici di traiettoria
Quando si tracciano le traiettorie dei raggi, è ancora più facile tracciare passi temporali aggiuntivi corrispondenti ai tempi di interazione raggio-parete. Il numero dei passi temporali aggiuntivi ora può essere controllato direttamente dalla finestra impostazioni del grafico Ray Trajectories. Sono disponibili opzioni predefinite per specificare il numero massimo di passi temporali aggiuntivi, direttamente o come un multiplo del numero dei tempi di soluzione memorizzati.
All'aumentare del numero di passi temporali aggiuntivi nel grafico di traiettoria, si vedono più chiaramente i tempi in cui ogni raggio rimbalza dalla parete.
Funzionalità Ray Detector
Ray Detector è una funzionalità di dominio o di contorno che fornisce informazioni sui raggi che una funzione di rilascio trasmette su un insieme selezionato di domini o superfici. Tali quantità includono il numero di raggi trasmessi e la probabilità di trasmissione, o il rapporto tra il numero di raggi trasmessi e il numero di raggi rilasciati. È possibile contare tutti i raggi o solo quelli rilasciati da una specifica funzionalità fisica. Questa funzione fornisce utili espressioni che possono essere richiamate nell'attributo Filter del grafico Ray Trajectories, che consente di visualizzare solo i raggi che raggiungono una serie di domini o di contorni specificati.
Le seguenti variabili sono definite da un'istanza della funzione Ray Detector, con l'etichetta:
- <tag>.Nsel: numero di raggi trasmessi dalla funzione di rilascio al rilevatore
- <tag>.alpha: probabilità di trasmissione dalla funzione di rilascio al rilevatore
- <tag>.rL: un'espressione logica per l'inclusione di raggi; può essere impostata nell'attributo Filter del grafico Ray Trajectories per visualizzare i raggi che collegano la fonte di radiazione al rilevatore
I raggi vengono rilasciati in modo isotropo da una sorgente puntiforme e si riflettono in modo speculare fino a colpire una superficie assorbente (in rosso). Con un Ray Detector è facile definire le espressioni del filtro per mostrare solo i raggi che hanno colpito la superficie assorbente (in basso).
Selezioni aggiuntive nelle funzionalità fisiche
Per alcune funzionalità fisiche, ad esempio Grating, Linear Polarizer, Linear Wave Retarder e Mueller Matrix, si rende a volte necessario specificare una selezione di lato oltre alla selezione di contorno. In genere, questa selezione di lato viene utilizzata per indicare l'orientamento di una griglia di diffrazione o di una componente ottica in 3D. Nelle versioni precedenti di COMSOL Multiphysics®, la selezione di lato era specificata aggiungendo alla funzionalità fisica un sottonodo Reference Edge. Nella versione 5.3, tuttavia, la selezione di lato è stata spostata in una sezione apposita della finestra impostazioni riguardante la funzionalità fisica da cui dipende. Il layout risultante nell'interfaccia utente è più chiaro: le selezioni di differenti livelli di entità geometriche possono essere visualizzate nella stessa finestra.
In COMSOL Multiphysics® versione 5.2a, l'orientamento di un polarizzatore lineare era specificato aggiungendo il sottonodo Reference Edge.
In COMSOL Multiphysics® versione 5.3, l'orientamento di un polarizzatore lineare viene determinato da una seconda selezione nella finestra impostazioni del nodo Linear Polarizer.
Miglioramenti al grafico di aberrazione ottica
Quando si tracciano combinazioni lineari di aberrazioni monocromatiche sul cerchio unitario con il grafico Optical Aberration, è possibile specificare la posizione del cerchio unitario. Inserendo diverse posizioni per parecchi cerchi unitari, è possibile visualizzare contemporaneamente più tipi di aberrazioni nella finestra grafica. Inoltre, il grafico Optical Aberration ora supporta l'attributo Height Expression. Con questo, è possibile renderizzare il grafico di aberrazione 2D in uno spazio 3D con l'altezza proporzionale alla combinazione dei polinomi di Zernike.
Grafico di quattro aberrazioni, con l'uso di espressioni di altezza e diverse posizioni del cerchio unitario. I termini mostrati sono l'aberrazione sferica (in alto a sinistra), il defocus (in alto a destra), l'astigmatismo (in basso a sinistra) e il coma verticale (in basso a destra).
Selezione del sistema di coordinate per gli ingressi
Quando si rilasciano i raggi a un contorno con la funzione Inlet, è possibile inizializzare la velocità o la quantità di moto dei raggi utilizzando un sistema di coordinate qualsiasi definito per il componente del modello.
Nuovi accoppiamenti di componenti sui raggi
I nuovi accoppiamenti di componenti sono creati automaticamente per ogni istanza dell'interfaccia Geometrical Optics e il comportamento dei vecchi accoppiamenti è cambiato. I vecchi accoppiamenti, ad esempio gop.gopop1(expr), ora escludono automaticamente i raggi non ancora rilasciati e i raggi scomparsi. I gradi di libertà di tali raggi sono di solito not-a-number (NaN), quindi diventa pratico escluderli automaticamente quando si calcolano le somme e le medie sulla totalità dei raggi.
| Nome | Descrizione |
|---|---|
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Somma dell'espressione |
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Somma dell'espressione |
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Media dell'espressione |
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Media dell'espressione |
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Massimo dell'espressione |
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Massimo dell'espressione |
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Minimo dell'espressione |
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Minimo dell'espressione |
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Valuta |
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Valuta |
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Valuta |
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Valuta |
Statistiche aggiuntive basate sullo stato dei raggi
Quando si spunta la casella Store ray status data, vengono definite le seguenti nuove variabili.
Nota: le espressioni sono scritte per un'istanza dell'interfaccia Geometrical Optics con il tag gop. I tag dell'interfaccia fisica saranno ovviamente diversi per le differenti interfacce fisiche.
| Nome | Espressione | Descrizione |
|---|---|---|
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Frazione di raggi congelati all'istante finale |
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Frazione di raggi bloccati all'istante finale |
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Frazione di raggi attivi all'istante finale |
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Frazione di raggi scomparsi all'istante finale |
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Frazione di raggi secondari rilasciati all'istante finale |
Opzioni avanzate per specificare i tempi di rilascio dei raggi
È ora possibile inserire tempi di rilascio diversi per i raggi. Nelle versioni precedenti, tutti i raggi dovevano essere rilasciati contemporaneamente. Per abilitare questa funzionalità, selezionare la casella di controllo Allow multiple release times nella sezione Advanced Settings della finestra impostazioni dell'interfaccia Geometrical Optics. Quindi, nel nodo della funzione di rilascio, specificare una serie di tempi di rilascio.
Criteri di terminazione basati sulla convergenza per i modelli con accoppiamento bidirezionale
Per i modelli che utilizzano il passo di studio Bidirectionally Coupled Particle Tracing per l'iterazione tra una soluzione stazionaria e una di tracciamento raggi, è ora possibile terminare il ciclo del solutore sulla base di un criterio di convergenza anziché sulla base di un numero fisso di iterazioni.
Nuova app: Solar Cavity Receiver Designer
I sistemi ricevitori a concentratore solare/cavità possono essere utilizzati per concentrare la radiazione solare incidente in una regione piccola al fine di generare calore intenso. Questo calore può quindi essere convertito in energia elettrica o chimica. Una tipica cifra di merito negli impianti solari termici è il fattore di concentrazione, ossia il rapporto del flusso solare sulla superficie del ricevitore o nel piano focale al flusso solare dell'ambiente.
Il Solar Cavity Receiver Designer è un'app eseguibile basata sul tutorial Solar Dish Receiver. In questa app, la radiazione solare incidente è riflessa da una parabola, mentre la radiazione solare concentrata viene raccolta in una piccola cavità. Sono disponibili per l'esame sei diverse geometrie di cavità parametrizzate: Cylindrical, Dome, Heteroconical, Elliptical, Spherical e Conical. È anche possibile considerare diversi tipi di perturbazioni, tra cui il solar limb darkening e la rugosità della superficie. Per ogni geometria di cavità, i grafici predefiniti mostrano il rapporto tra la distribuzione del flusso e la concentrazione nel piano focale, nonché il flusso incidente sulle superfici interne della cavità.
L'app Solar Cavity Receiver Designer. La geometria mostrata è costituita da un riflettore parabolico rivolto verso il sole e da un ricevitore a cavità etero-conica.
Percorso dell'Application Library per l'app Solar Cavity Receiver Designer:
Ray_Optics_Module/Applications/solar_dish_receiver_designer
Nuovo tutorial: Total Internal Reflection Thin-Film Achromatic Phase Shifter (TIRTF APS)
Per una vasta gamma di dispositivi ottici è fondamentale poter modificare la polarizzazione della luce. Ad esempio, la polarizzazione della luce interessa in modo significativo le prestazioni di optoisolatori, attenuatori e divisori di fascio. Assegnando una polarizzazione specifica alla luce, in particolare una polarizzazione lineare o circolare, è possibile ridurre notevolmente il glare nei sistemi ottici.
Uno dei metodi fondamentali per la manipolazione della polarizzazione è l'uso di una lamina in quarto d'onda, in cui una componente del campo elettrico è sottoposta a ritardo di fase in relazione alla componente di campo elettrico ortogonale in un fascio di luce propagante. In questo tutorial, il fenomeno della riflessione interna totale viene utilizzato per progettare e modellare un variatore di fase acromatico o una lamina in quarto d'onda che presenta un ritardo di fase quasi uniforme su un ampio spettro. Il ritardo di fase è influenzato dalla presenza di strati dielettrici sottili sul contorno tra i due mezzi.
In questo modello di riferimento, sono stati calcolati gli angoli del ritardo di fase per rivestimenti a uno e tre strati, successivamente confrontati con i risultati pubblicati. Questo principio può essere utilizzato per progettare uno sfasatore acromatico in film sottile a riflessione interna totale (TIRTF APS) con un ritardo di fase quasi uniforme su un ampio spettro.
Il ritardo di fase è rappresentato come funzione della lunghezza d'onda nello spazio libero. Il ritardo di fase può essere reso più uniforme su un ampio spettro applicando alla superficie riflettente un rivestimento dielettrico multistrato.
Percorso dell'Application Library con il tutorial Achromatic Phase Shifter:
Ray_Optics_Module/Polychromatic_Light/achromatic_phase_shifter
Nuovo tutorial: Fresnel Rhomb
Un rombo di Fresnel è un prisma che utilizza la riflessione interna totale per manipolare la polarizzazione della luce. In questo esempio, la luce nel prisma si riflette internamente a un angolo d'incidenza che induce un ritardo di fase di 45 gradi tra la radiazione polarizzata s e p. Sottoponendo la luce a due riflessioni, il prisma converte la luce con polarizzazione lineare in ingresso in una luce con polarizzazione circolare.
Ellissi di polarizzazione di un raggio nel rombo di Fresnel. Il raggio ha inizialmente polarizzazione lineare a 45 gradi rispetto al piano d'incidenza, dopo una riflessione assume una polarizzazione ellittica e dopo due riflessioni una polarizzazione circolare.
Percorso dell'Application Library con il tutorial Fresnel Rhomb:
Ray_Optics_Module/Tutorials/fresnel_rhomb