Модуль геометрическая оптика

Программное обеспечение для трассировки оптических лучей

Модуль Геометрическая оптика является расширением программного пакета COMSOL Multiphysics^®, с помощью которого можно моделировать распространение электромагнитных волн методом трассировки лучей. Распространяющиеся волны рассматриваются как лучи, которые могут быть отражены, преломлены или поглощены на границах геометрической модели. Данная формулировка для расчета электромагнитного излучения применима только для электронных систем с большими по сравнению с длиной волны геометрическими размерами.

При использовании модуля Геометрическая оптика совместно с другими модулями программного пакета COMSOL^® можно применять трассировку лучей при наличии температурных градиентов и механических деформаций, что позволяет выполнять высокоточный анализ механических, тепловых и оптических эффектов (STOP-анализ) в единой среде моделирования.

Области применения модуля Геометрическая оптика

Дополняя базовую платформу COMSOL Multiphysics^® модулем Геометрическая оптика, вы получаете доступ к специализированным инструментам для геометрической трассировки оптических лучей.
 

Модуль Геометрическая оптика включает инструменты для моделирования следующих задач:

• Автомобильное освещение
• Освещение в зданиях и помещениях
• Камеры
• Линзы с градиентным показателем преломления
• Интерферометры
• Анализ устойчивости лазерных резонаторов
• Системы фокусировки лазерного пучка
• Лазерные радарные системы
• Оптические фильтры
• Монохроматоры
• Солнечное излучение и аккумулирование солнечной энергии
• Спектрометры
• Анализ механических, тепловых и оптических эффектов в оптических системах
• Телескопы
• Термолинзы

Мультифизическая связь:

Доступна непосредственно в модуле Геометрическая оптика:

• Лучевой нагрев

Основные функции и возможности, доступные в модуле Геометрическая оптика

Ниже систематизирован и описан ключевой функционал и преимущества модуля Геометрическая оптика.

Создание геометрии: простое задание геометрий линз и зеркал

В модуле Геометрическая оптика доступна библиотека геометрических заготовок базовых оптических элементов, таких как зеркала, линзы, призмы и диафрагмы. Каждая заготовка полностью параметризована, а для многих из них доступны варианты с разными комбинациями входных параметров, которые можно удобным образом комбинировать, модифицировать и использовать в процессе отрисовки геометрии оптической системы.

Например, можно вставить сферическое или коническое зеркало в геометрическую последовательность, указать, является ли поверхность вогнутой или выпуклой, ввести радиус кривизны, а затем указать апертуру, полный диаметр и диаметр плоской поверхности (при её наличии). Эти входные данные можно изменять вручную или в процессе параметрического исследования. Кроме того, компоненты можно ориентировать относительно ранее добавленных, используя встроенные рабочие плоскости; можно настроить автоматически создаваемые именованные выборки, с помощью которых можно легко назначить граничные условия нужным поверхностям.

В библиотеке частей модуля Геометрическая оптика доступны следующие элементы:

• Линзы
  • Сферические
  • Цилиндрические
  • Асферические
  • Двойные
• Зеркала
  • Сферические
  • Конические осевые и внеосевые
  • Плоские
• Диафрагмы
  • Круглые
  • Прямоугольные
  • Составные параболические концентраторы
  • Осесимметричные
  • Лотковые
• Светоделители
• Призма
• Уголковый отражатель

Свойства материалов: модели оптической и термооптической дисперсии

Показатель преломления каждой среды можно указать непосредственно или вывести из дисперсионного соотношения. Такие коэффициенты дисперсии, как коэффициенты Зелмайера, можно загрузить из базы данных материалов или ввести прямо в данные о пользовательском материале. Показатель преломления может быть комплексным, тогда действительная часть определяет скорость света в конкретной среде, а мнимая описывает поглощение или усиление луча.

Кроме того, доступен учет термооптической дисперсии, с помощью которой можно скорректировать показатель преломления в зависимости от температуры. Имеется также модель Зелмейера, в которой зависимость от температуры и длины волны объединена в единый набор коэффициентов Зелмейера, что особенно полезно при работе с криогенными материалами.

Граничные условия: гибкий и интуитивно понятный функционал

Лучи автоматически детектируют геометрические границы на своем пути без необходимости указывать порядок взаимодействия луча с границей. Когда луч достигает поверхности, он может быть отражен зеркально или диффузно, преломлен или поглощен. Можно также задавать логические условия при взаимодействии на границе или выбрать случайным образом одно из двух взаимодействий с некоторой вероятностью.

На границах между диэлектрическими средами каждый падающий луч детерминированно разделяется на отраженный и преломленный лучи. Полное внутреннее отражение также определяется автоматически. Интенсивности отраженного и преломленного луча автоматически рассчитываются согласно уравнениям Френеля. Можно также задать тонкие диэлектрические слои на границах раздела материалов и использовать их в качестве фильтров, просветляющих покрытий или диэлектрических зеркал.

Граничные условия, доступные в модуле Геометрическая Оптика:

• Абсорбция
• Дифракционные решетки
• Диффузное рассеивание (по закону Ламберта)
• Предустановки для оптических компонентов
  • Линейные поляризаторы
  • Фазовые пластинки (ретардеры) для линейной поляризации
  • Фазовые пластинки (ретардеры) для крувой поляризации
  • Деполяризаторы
  • Пользовательские матрицы Мюллера
• Отражение/преломление на границах раздела диэлектрических сред
  • Автоматическое обнаружение полного внутреннего отражения
  • Повторная инициализация интенсивности луча с помощью уравнений Френеля
  • Добавление однослойных или многослойных тонких диэлектрических покрытий на любую поверхность
• Зеркальное отражение

Запуск лучей: разнообразие доступных механизмов 

Можно запустить лучи, введя их координаты непосредственно, импортировав координаты из текстового файла или запуская их с выбранных геометрических объектов. Лучи могут испускаться из любой выборки областей, границ, граней или точек геометрии. Имеются также специальные опции для задания солнечного излучения в указанной области на поверхности Земли и для испускания отраженных или преломленных лучей освещаемой границы.

При расчете интенсивности луча его можно запустить, используя выражение или загрузив в модель файл с фотометрическими данными (а именно, файл формата IES).

Из каждого положения лучи можно запускать в пользовательском направлении или в нескольких направлениях при сферическом, полусферическом, коническом распределении или распределении по Ламберту.

Исспользуемые численные методы и типы исследований: надежный и гибкий алгоритм трассировки лучей

Лучи могут распространяться через однородные среды и среды с градиентным показателем преломления (GRIN). Они также могут быть моно- или полихроматическими (вы можете задать распределение по длинам волн или ввести набор дискретных значений).

Вдоль траекторий лучей в интерфейсе Geometrical Optics (Геометрическая оптика) предусмотрена возможность управлять поляризацией и интенсивностью лучей. В расчете интенсивности используется метод расчета Стокса – Мюллера, упрощающий отслеживание полностью поляризованных, неполяризованных и частично поляризованных лучей.

Инструменты постобработки: визуализация траектории лучей

С помощью инструментов постобработки COMSOL Multiphysics^® можно создавать наглядные и информативные визуализации результатов расчетов. Для лучей можно строить линейные, трубчатые, точечные и векторные двухмерные и трехмерные графики, а также задавать цвет лучей пользовательскими выражениями, которые могут отличаться для разных лучей или даже вдоль траектории каждого луча. При расчете интенсивности луча можно также построить график с эллипсами поляризации вдоль траектории лучей.

Кроме того, в COMSOL Multiphysics^® реализованы гибкие настройки отображения: можно показать не только траектории лучей, но и другие соответствующие графики, чтобы видеть интерференционные полосы, разложить разность оптического пути на отдельные монохроматические элементы аберрации и т.п. Можно также добавить на график точки пересечения лучей с плокостью, сферой, полусферой или более сложной поверхностью.

Приложения для моделирования: настройте входные и выходные данные своей модели для упрощения и автоматизации расчетов

После построения расчетной модели, в Среде разработки приложений становится доступным множество других возможностей, еще больше упрощающих рабочий процесс моделирования. Например, можно ограничить входные данные и управлять выходными данными в модели, параметризовать геометрию модели и создавать отчеты на основе шаблонов.

С помощью приложений для моделирования вы можете ускорить процесс проведения своих собственных исследований. Кроме того, можно предоставить доступ к приложениям своим коллегам, чтобы они самостоятельно выполняли свои расчеты, освобождая ваше время и силы для других задач.

Рабочий процесс создания и использования приложений для моделирования очень прост:

1. Создайте для вашей сложной оптической модели простой пользовательский интерфейс (приложение)
2. Настройте приложение для ваших нужд, выбирая нужные входные и выходные данные, которые будут доступны пользователям
3. Используйте продукт COMSOL Server™ или COMSOL Compiler™ для предоставления к ним доступа вашим коллегам или клиентам
4. Ваши коллеги и/или заказчики смогут проводить заданные в приложении типовые расчеты и проекты без вашей помощи

Используя функционал приложений для моделирования вы сможете предоставить доступ к численным расчетам и проектированию вашим коллегам внутри отдела или лаборатории, всей организации целиком, студентам и аспирантам, клиентам и заказчикам.

Проектирование и исследование современных оптических систем

Оптические системы могут быть чрезвычайно восприимчивы к изменениям окружающей их среды, особенно при работе в экстремальных условиях: под водой или в открытом космосе. С помощью программного пакета COMSOL Multiphysics^® и специального модуля расширения Геометрическая оптика можно создавать высокоточные оптические модели.

Наиболее очевидным фактором среды является температура, поскольку показатели преломления большинства материалов зависят от температуры с той или иной формой термооптической зависимости. На качество изображения могут также значительно повлиять физические деформации в оптической системе, возникающие в результате термического напряжения или других прикладываемых нагрузок. Пакет позволяет учесть все эти мультифизические явления в одной интегрированной среде моделирования и легко выполнить комплексный анализ механических, тепловых и оптических эффектов (тепловых и оптических эффектов (structural-thermal-optical performance - STOP). Модуль Геометрическая оптика можно также использовать вместе с другими модулями расширения, обеспечивающими широкий функционал для механического и теплового моделирования, например, для учета теплового излучения, сопряженного теплообмена, сверхупругих материалов и пьезоэлектрических явлений.