Raytracing in optisch großen Systemen mit dem Ray Optics Module simulieren

Optische Raytracing Software

Das Ray Optics Module ist ein Add-On zur COMSOL Multiphysics®-Software, mit dem Sie die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen mit einem Raytracing-Ansatz modellieren können. Die sich ausbreitenden Wellen werden als Strahlen behandelt, die an den Rändern in der Modellgeometrie reflektiert, gebrochen oder absorbiert werden können. Diese Behandlung elektromagnetischer Strahlung verwendet Näherungen, die sich anbieten, wenn die Geometrie im Vergleich zur Wellenlänge groß ist.

Die Kombination des Ray Optics Module mit anderen Modulen aus der COMSOL®-Produktpalette ermöglicht die Strahlverfolgung in Temperaturgradienten und deformierten Geometrien und ermöglicht eine hochpräzise strukturell-thermisch-optische Performance-Analyse (STOP) in einer einzigen Simulationsumgebung.

Was Sie mit dem Ray Optics Module bekommen

Das Ray Optics Module bietet Werkzeuge für die spezialisierte Modellierung von Strahlenoptiken in Kombination mit der Kernfunktionalität der COMSOL Multiphysics®-Softwareplattform.

Das Ray Optics Module enthält Werkzeuge zur Modellierung von:

  • Fahrzeugbeleuchtung
  • Gebäude- und Raumbeleuchtung
  • Kameras
  • Gradientenindex (GRIN) Linsen
  • Interferometer
  • Analyse der Stabilität von Laserresonatoren
  • Laserfokussiersysteme
  • Lidarsysteme
  • Optische Filter
  • Monochromatoren
  • Sonneneinstrahlung und Sonnenenergiegewinnung
  • Spektrometer
  • Struktur-thermisch-optische Performance (STOP) Analyse
  • Teleskope
  • Thermische Linsen


Multiphysik-Kopplungen:

Im Ray Optics Module enthalten:

  • Strahlwärmequelle



Eigenschaften und Funktionsweise des Ray Optics Module

Erfahren Sie mehr über die Features und Funktionen des Ray Optics Module, indem Sie die folgenden Abschnitte erweitern.

Das Ray Optics Module enthält eine Bibliothek mit essentiellen Geometrieteilen, einschließlich Spiegeln, Linsen, Prismen und Aperturen. Jedes dieser Teile ist vollständig parametrisiert, und viele von ihnen beinhalten Varianten mit verschiedenen Kombinationen von Eingangsparametern, so dass sie bequem an ein optisches Design angepasst werden können.

Sie können beispielsweise einen kugelförmigen oder konischen Spiegel in die Geometriesequenz einfügen, festlegen, ob die Oberfläche konkav oder konvex ist, ihren Krümmungsradius eingeben und dann den lichten Durchmesser, den vollen Durchmesser und den Durchmesser der Fläche (falls vorhanden) angeben. Diese Eingaben können manuell oder durch eine parametrische Sweep-Studie angepasst werden. Darüber hinaus können die Teile über eingebaute Arbeitsebenen auf zuvor eingefügte Teile ausgerichtet werden, und die Teile können automatisch benannte Auswahlen erstellen, um Randbedingungen einfach den richtigen Oberflächen zuzuordnen.

Die Teilebibliothek für das Ray Optics Module enthält:

  • Linsen
    • Sphärisch
    • Zylindrisch
    • Asphärisch
    • Dublette
  • Spiegel
    • Sphärisch
    • Axial und außeraxial konisch
    • Planar
  • Aperturen
    • Kreisförmig
    • Rechteckig
  • Zusammengesetzte parabolische Konzentratoren
  • Axisymmetrisch
  • Trog
  • Strahlteiler
  • Prisma
  • Retroreflektor
Das Bild zeigt eine Auswahl von Komponenten, die im Ray Optics Module enthalten sind. Die Teilebibliothek für das Ray Optics Module beinhaltet eine Vielzahl von Geometrieteilen, daunter: Ebener elliptischer Spiegel (1), Verbundparabolischer Konzentrator (2), sphärische Linse (3), sphärischer Spiegel (4), rechteckige und kreisförmige Aperturblenden (5), konischer Spiegel (6) außerhalb der Achse und Eckwürfel-Retroreflektor (7).
Eine Visualisierung der Strahlen in einem newtonschen Teleskop. Strahlen in einem newtonschen Teleskop mit einem sphärischen Primärspiegel und einem flachen elliptischen Sekundärspiegel.
Eine Visualisierung der Strahlen in einem Modell des Hubble-Weltraumteleskops. Strahlen im Hubble-Weltraumteleskop, welches eine Standard-Ritchey-Chrétien-Geometrie verwendet, die aus zwei Kegelspiegeln auf der Achse besteht.

Der Brechungsindex jedes Mediums kann direkt angegeben oder aus einer optischen Dispersionsbeziehung abgeleitet werden. Die Dispersionskoeffizienten, wie z.B. die Sellmeier-Koeffizienten, können aus einer Materialdatenbank geladen oder direkt in ein benutzerdefiniertes Material eingegeben werden. Der Brechungsindex kann komplex sein, wobei der Realteil die Lichtgeschwindigkeit im Medium bestimmt, während der Imaginärteil eine Strahlendämpfung oder -verstärkung bewirkt.

Thermooptische Dispersionskoeffizienten stehen zur Verfügung um den Brechungsindex zusätzlich von der Temperatur abhängig zu definieren. Es gibt auch ein temperaturabhängiges Sellmeier-Ausbreitungsmodell, das die Temperatur- und Wellenlängenabhängigkeit zu einem einzigen Satz von Sellmeier-Koeffizienten kombiniert, was besonders für kryogene Materialien nützlich ist.

Eine Schnittdarstellung eines doppelten Gauß-Linsensystems. Ein doppeltes Gauß-Linsensystem, das als 2D-Schnitt dargestellt ist. Die sechs Linsen bestehen aus drei verschiedenen Gläsern (blau, grün und rot dargestellt), die unterschiedliche optische Streukoeffizienten aufweisen.

Strahlen erkennen automatisch geometrische Grenzen in ihrem Strahlengang, ohne dass die Ordnung der Strahl-Grenzen-Interaktionen festgelegt werden muss. Wenn ein Strahl eine Oberfläche erreicht, kann er diffus oder spiegelnd reflektiert, gebrochen oder absorbiert werden. Sie können auch bedingte Randwechselwirkungen zuweisen oder zufällig zwischen zwei verschiedenen Randwechselwirkungen mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit wählen.

An den Grenzen zwischen dielektrischen Medien wird jeder einfallende Strahl deterministisch in reflektierte und gebrochene Strahlen aufgeteilt. Die gesamte interne Reflexion wird ebenfalls automatisch erkannt. Wenn nach der Strahlintensität gelöst wird, wird sie automatisch für die reflektierten und gebrochenen Strahlen gemäß den Fresnel-Gleichungen berechnet. Sie können auch dünne dielektrische Schichten auf Materialdiskontinuitäten definieren, die als Filter, Antireflexbeschichtungen oder dielektrische Spiegel verwendet werden können.

Das Ray Optics Module beinhaltet Randbedingungen für:

  • Absorption
  • Beugungsgitter
  • Diffuse Streuung (Lambertsches Gesetz)
  • Vordefinierte optische Komponenten
  • Lineare Polarisatoren
  • Lineare Wellenverzögerer
  • Zirkuläre Wellenverzögerer
  • Depolarisatoren
  • Benutzerdefinierte Müller-Matrizen
  • Reflexion/Brechung an den Grenzen zwischen dielektrischen Medien
  • Automatische Erkennung der internen Totalreflexion (TIR)
  • Reinitialisieren der Strahlintensität unter Verwendung der Fresnel-Gleichungen
  • Aufbringen von ein- oder mehrschichtigen dünnen dielektrischen Schichten auf jede Oberfläche
  • Spiegelreflexion
Eine Visualisierung der Strahlen in einem White Pupil Échelle-Spektrographen. Ein White Pupil Échelle Spektrograph wird modelliert, indem zwei Spiegel, zwei Beugungsgitter und ein Petzval-Linsensystem verwendet werden, die kombiniert werden, um die Strahlen entsprechend ihrer Wellenlänge in ein 2D-Array aus Punkten zu sortieren.

Strahlen können initialisiert werden, indem Sie ihre Koordinaten direkt eingeben, die Koordinaten aus einer Textdatei importieren oder Strahlen von ausgewählten geometrischen Elementen aus freigeben. Strahlen können von jeder beliebigen Auswahl an Gebieten, Rändern, Kanten oder Punkten in der Geometrie freigesetzt werden. Es gibt auch spezielle Funktionalitäten, um die Sonnenstrahlung an einem bestimmten Ort auf der Erdoberfläche zu erhalten oder reflektierte bzw. gebrochene Strahlen von einer beleuchteten Fläche freizugeben.

Bei der Berechnung der Strahlintensität kann diese entweder durch Verwendung eines Ausdrucks oder durch Laden einer photometrischen Datei (insbesondere einer IES-Datei) in dem Modell initialisiert werden.

An jeder Freigabeposition können die Strahlen in eine vom Benutzer festgelegte Richtung abgestrahlt werden, oder es können verschiedene Richtungen aus einer kugelförmigen, halbkugelförmigen, konischen oder lambertschen Verteilung verwendet werden.

Ein Screenshot der COMSOL-Software-GUI mit dem geöffneten Modell eines Sonnenlicht-Parabolspiegels. Strahlentrajektorien und abgegebene Leistung in der Fokusebene für ein Sonnenlicht-Parabolspiegelsystem unter idealen Bedingungen (links) und realen Bedingungen (rechts) unter Berücksichtigung der endlichen Größe der Sonne, der Randverdunkelung sowie der Oberflächenrauheit.

Die Strahlen können sich sowohl durch homogene als auch durch gradientenoptische Medien (GRIN) ausbreiten. Sie können auch monochromatisch oder polychromatisch sein, wobei Sie eine Verteilung der Wellenlängen festlegen oder einen Satz diskreter Werte eingeben können.

Um nach zusätzlichen Größen entlang der Strahlengänge zu lösen, beinhaltet das Geometrische Optik Interface eine integrierte Berechnungsmöglichkeit von Strahlintensität und Polarisation. Die Intensitätsberechnung verwendet eine Form des Stokes-Mueller-Formularismus, die es einfach macht, den Überblick über vollständig polarisierte, unpolarisierte und teilweise polarisierte Strahlen zu behalten.

Eine Visualisierung eines kollimierten einfallenden Strahls, der durch ein Lüneburger Objektiv fokussiert wird. Ein kollimierter einfallender Strahl wird auf einen Punkt auf der anderen Seite dieser Lüneburger Linse fokussiert, eine Form der sphärisch symmetrischen Gradientenindex-Linse (GRIN).

Mit den COMSOL Multiphysics® Postprocessing-Tools haben Sie die Möglichkeit, sowohl optisch ansprechende als auch informative Ergebnisdarstellungen zu erzeugen. Sie können Strahlen als Linien, Röhren, Punkte und Vektoren in 2D oder 3D darstellen und die Strahlen mit einem beliebigen Ausdruck einfärben, der zwischen verschiedenen Strahlen und sogar entlang des Weges jedes Strahls variieren kann. Wenn Sie die Strahlintensität berücksichtigen, können Sie auch Polarisationsellipsen entlang der Strahlen zeichnen.

COMSOL Multiphysics® bietet auch die Flexibilität, mehr als nur Strahlengänge darzustellen: Mit anderen speziellen Plots, können Interferenzstreifen betrachtet und optische Pfadunterschiede in die verschiedenen monochromatischen Abbildungsfehler zerlegt werden. Sie können auch die Schnittpunkte von Strahlen mit einer Ebene, Kugel, Halbkugel oder anderen speziellen Oberflächen darstellen.

Ein Bild der COMSOL Multiphysics GUI mit einem geöffneten Czerny-Turner-Spektrometermodell. Strahlendiagramm eines Spektrometers in einer gekreuzten Czerny-Turner-Konfiguration mit Strahlen, die entsprechend ihrer Wellenlänge gefärbt sind (links) und einem 1D-Diagramm der spektralen Auflösung als Funktion der Wellenlänge (rechts).
Ein Beispiel für eine Stabilitätsanalyse, die in COMSOL durchgeführt wurde. Stabilitätsanalyse eines Laserhohlraums in einer symmetrischen Bowtie-Konfiguration. Im 1D-Diagramm werden die Ergebnisse der Strahlenkurve mit der von der ABCD-Matrixtheorie vorhergesagten Hohlraumstabilität verglichen. Das Strahlendiagramm zeigt eine stabile Konfiguration (ein Parameterwert, bei dem die Stabilität 1 ist, weil der Strahl gefangen bleibt).

Nach dem Aufbau eines Strahloptikmodells gibt es mit dem Application Builder eine Vielzahl weiterer Möglichkeiten, die den Simulationsablauf weiter vereinfachen. So können Sie beispielsweise die Eingaben einschränken und die Ausgaben Ihres Modells steuern, die Modellgeometrie parametrisieren und eine vordefinierte Reportgenerierung bereitstellen.

Sie können Simulations-Applications verwenden, um Ihre eigenen Tests schneller auszuführen, oder Apps an andere Mitglieder Ihres Teams verteilen, um diese ihre eigenen Tests durchführen zu lassen. Dadurch haben Sie selbst mehr Zeit und Ressourcen für andere Projekte.

Der Prozess ist einfach:

  1. Verwandeln Sie Ihr Strahlenoptikmodell in eine einfache Benutzeroberfläche (eine Application).
  2. Passen Sie die Application an Ihre Bedürfnisse an, indem Sie die Ein- und Ausgaben für die Benutzer der Application auswählen.
  3. Verwenden Sie das COMSOL Server™ oder das COMSOL Compiler™ Produkt, um Applications für andere zugänglich zu machen.
  4. Ermöglichen Sie Ihrem Team, ohne weitere Unterstützung eigene Designanalysen durchzuführen.

Erweitern Sie die Möglichkeiten der Simulation in Ihrem Team, Ihrer Organisation, Ihren Schulungen oder Ihrer Kundenbasis, indem Sie Simulations-Applications erstellen und verwenden.

Ein Screenshot einer Simulations-Application, mit der Sonnenlicht-Parabolspiegel entworfen werden. Das Modell des Sonnenlicht-Parabolspiegels, das in eine Simulations-Application umgewandelt wurde, ist ohne Kenntnis der zugrundeliegenden Physik für die Konstruktion der Spiegel nutzbar.

Optisches Design und Analyse für die reale Welt

Optische Systeme können extrem empfindlich auf Veränderungen in ihrer Umgebung reagieren, insbesondere wenn sie unter extremen Bedingungen wie Unterwasser oder im Weltraum betrieben werden. Mit der COMSOL Multiphysics® -Software und dem speziellen Add-On Ray Optics Module können Sie hochpräzise optische Simulationen durchführen.

Der offensichtlichste Umgebungsfaktor ist die Temperatur, da die Brechungsindizes der meisten Materialien einer thermooptischen Dispersion unterliegen. Mechanische Verformungen im optischen System, entweder durch thermische Spannungen oder andere Belastungen, können die Bildqualität ebenfalls erheblich beeinträchtigen. Sie können all diese multiphysikalischen Phänomene bequem in einer einzigen integrierten Modellierungsumgebung berücksichtigen und so gekoppelte struktur-thermo-optische Performance-Analysen (STOP-Analyse) durchführen. Sie können das Ray Optics Module auch mit anderen Add-On-Modulen kombinieren, welche erweiterte mechanische und thermische Modellierungsmöglichkeiten bieten — zum Beispiel zur Berücksichtigung von Wärmestrahlung, konjugiertem Wärmetransport, hyperelastischen Materialien und Piezoelektrizität.



Vdara ist ein eingetragenes Warenzeichen von CityCenter Land, LLC.



Vdara ist ein eingetragenes Warenzeichen von CityCenter Land, LLC.

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