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COMSOL Multiphysics ® 5.3版本針對“射線光學模組”的用戶新增了射線終止特徵來消除不需要的射線,導入光度數據的功能,以及設計碟式太陽能接收器的模擬App。請閱讀以下內容,進一步了解“射線光學模組”的所有更新。

射線終止特徵

新的射線終止特徵可用於湮沒射線,而不再需要讓射線終止於邊界,當射線離開基於幾何或用戶定義的空間範圍時可以將其終止。您可以使用射線終止特徵來消除有關射線路徑的不需要信息,使軌跡圖顯示得更清晰。除了使用幾何約束來終止射線外,如果射線的強度或功率小於指定的閾值,或者射線在遠離模型幾何處已呈雜散狀,則也可以終止射線。對於因吸收介質的作用而衰減的射線,由於與彎曲表面相互作用而強度變得極低的射線,使用此特徵可避免對這類射線過度使用計算資源。

一個准直光束經未塗層的凸透鏡聚焦。射線終止特徵用於終止由鏡面反射的雜散光。顏色表達式與射線強度的對數成正比。

*射線通過兩個焦距分別為200 mm(上圖)和100 mm(下圖)的凸透鏡進行傳播。通過焦距較短透鏡的射線在經過焦點後強度迅速遞減,因此可由_射線終止_ 特徵來終止,而通過焦距較長透鏡的射線則繼續傳播。

導入光度數據文件

通過將光度數據文件導入到射線光學模型中,您現在可以指定射線強度和功率的非均勻分佈。光度數據文件特徵支持文件擴展名.ies,這是北美照明工程學會(Illuminating Engineering Society of North America,IESNA)的標準光度數據文件格式。您可以在從柵格釋放節點的總源功率欄中對強度初始化選擇光度數據導入,使用此特徵。

當光度數據文件導入模型後,會生成一組函數,可根據初始射線方向來初始化射線強度和功率。您可以指定光度水平和光度零的方向,從而根據IES 標準指定照明的方向。

使用射線光學模型中的“光度數據文件”特徵的示例。

射線釋放時關於z軸呈半球分佈。顏色表達式與導入的光度數據文件生成的射線強度成正比。

射線釋放時關於z軸呈半球分佈。顏色表達式與導入的光度數據文件生成的射線強度成正比。

幾何零件變量

現在,對於“射線光學模組”專用的“零件庫”,要指定其中幾何零件的尺寸有多種不同的方法。您可以選擇在將零件加載到模型時要使用的輸入參數或零件變量的組合。單擊添加到幾何時會顯示一個對話框,提示您選擇零件變量。

新的幾何零件:複合拋物面聚光器


“射線光學模組”的“零件庫”現在包含“複合拋物面聚光器”(Compound Parabolic Concentrator,CPC)。CPC 具有拋物線型的表面,這些表面相互靠得足夠近,以致每一個面的端部位於對面的焦點。入射光的角度小於一個指定的角度,稱為半接受角,光始終通過聚光器透射,使CPC 成為聚焦多個不同方向傳入輻射的有用工具。

顯示“複合拋物面聚光器”幾何零件的示例。 當入射的射線角度等於CPC 的半接受角時,射線朝對面的焦點集中。 當入射的射線角度等於CPC 的半接受角時,射線朝對面的焦點集中。





射線釋放到遵循錐形分佈的CPC 上。由於錐角小於半接受角,因此所有射線都由拋物線型表面聚焦,並到達輸出位置(藍線顯示部分)


朗伯發射

射線釋放特徵現在包含一個選項,用於釋放初始方向呈朗伯分佈的射線。射線釋放時,初始方向基於朗伯餘弦定律。

朗伯餘弦定律指出,射線通過微分立體角元素dω 釋放時,極角θ 與cos θ 成正比。通過比較,在各向同性半球分佈中,射線很可能通過半球中的任何微分立體角釋放。

各向同性半球釋放和朗伯釋放之間的可視比較。 呈各向同性半球釋放的射線分佈(左側繪圖)和呈朗伯釋放的射線分佈(右側繪圖)的比較。 呈各向同性半球釋放的射線分佈(左側繪圖)和呈朗伯釋放的射線分佈(右側繪圖)的比較。
各向同性速度分佈和朗伯速度分佈的COMSOL 繪圖。 各向同性分佈和朗伯分佈中極角的直方圖。 各向同性分佈和朗伯分佈中極角的直方圖。

二維軸對稱幾何中改進的射線追踪

在計算二維軸對稱模型中的射線強度時,與傳播射線相關的波前現在視為球面波或橢球面波,而不是柱面波(柱面波僅對實際二維模型作了適當的簡化)。換句話說,使用柱面波時計算所有射線有關方位方向的主曲率半徑。這使二維軸對稱模型中射線強度的計算更具有實際意義。

此外,這一改進中還包含了從邊、點或在沿對稱軸的指定坐標處釋放射線的專門特徵。在使用這其中任一個專門的釋放特徵時,內置的選項可用於釋放呈各向異性半球的射線,由此每條射線都幾乎包含三維中相同的立體角。

從對稱軸釋放射線的示例。 在使用此選項從對稱軸上釋放球形分佈的射線時,徑向上的射線所佔權重較大,因此三維中每條射線對應的立體角大體相等。對稱軸顯示為紅色實線。 在使用此選項從對稱軸上釋放球形分佈的射線時,徑向上的射線所佔權重較大,因此三維中每條射線對應的立體角大體相等。對稱軸顯示為紅色實線。
二維軸對稱幾何的示例。 二維軸對稱模型中平面波的鏡面反射。對稱軸顯示為紅色實線。顏色表達式顯示了射線強度。儘管邊界是直邊,但是射線經反射後強度增大了,因為出於計算波前曲率的考慮,邊界視為迴轉面。 二維軸對稱模型中平面波的鏡面反射。對稱軸顯示為紅色實線。顏色表達式顯示了射線強度。儘管邊界是直邊,但是射線經反射後強度增大了,因為出於計算波前曲率的考慮,邊界視為迴轉面。

射線軌跡帶

現在可以將射線路徑渲染為射線軌跡圖中的軌跡帶。您可以指定軌跡帶的方向和厚度。例如,在射線通過漸變折射率的介質傳播時,軌跡帶的方向可以與包含彎曲射線路徑的平面垂直或平行。

COMSOL Multiphysics 5.3 版本中射線路徑渲染為軌跡帶的演示。 射線通過Luneburg 透鏡(漸變折射率的介質)傳播。未通過透鏡對稱軸的射線遵循彎曲路徑。圖中軌跡帶的方向與包含射線路徑的平面垂直,顏色與射線強度成正比。 射線通過Luneburg 透鏡(漸變折射率的介質)傳播。未通過透鏡對稱軸的射線遵循彎曲路徑。圖中軌跡帶的方向與包含射線路徑的平面垂直,顏色與射線強度成正比。

軌跡圖中的額外時間步

在繪製射線軌跡時,現在可以更輕鬆地繪製與射線-壁相互作用的次數對應的額外時間步。這些額外時間步的數量現在可以從射線軌跡圖的“設置”窗口中直接控制。內置選項可用於直接指定額外時間步的最大數量,或指定為存儲的求解次數的倍數。

四個包含不同額外時間步數的軌跡圖。 隨著軌跡圖中的額外時間步數的增加,可以更清晰地看到每條射線從壁反射的次數。 隨著軌跡圖中的額外時間步數的增加,可以更清晰地看到每條射線從壁反射的次數。

射線探測器特徵

射線探測器特徵是一個域或邊界特徵,提供有關射線從釋放特徵到達一組選定域或表面的信息。這其中包括已透射的射線的數量和透射率,或已透射的射線數與釋放的射線數的比率等物理量。可以對所有射線計數,或僅對特定物理場特徵釋放的射線進行計數。此特徵提供了便捷的表達式,可用於射線軌跡圖中的過濾器屬性,從而允許對到達指定一組域或邊界的射線進行可視化處理。

以下變量使用特徵標記<tag>定義了射線探測器特徵:

  • <tag>Nsel_:從釋放特徵透射到探測器的射線數
  • <tag>.alpha_:從釋放特徵透射到探測器的透射率
  • <tag>.rL_ :射線內含物的邏輯表達式;它可以設置在“射線軌跡”圖的過濾器屬性中,用於對連接輻射源和檢測器的射線作可視化處理


從點源以各向同性狀釋放的射線,產生鏡面發射,最終撞擊到吸收表面(標為紅色)。使用射線探測器可以輕鬆地定義過濾器表達式,僅顯示撞擊到吸收表面(底部)的射線。

物理場特徵中的額外選擇

對於光柵線性偏振器線性波延遲器Mueller矩陣等物理場特徵,除了在物理場特徵中選擇邊界外,有時還需要指定邊選擇。通常,這個邊選擇用於指明三維中衍射光柵或光學組件的方向。在先前版本的COMSOL Multiphysics ®中,邊選擇是通過將參考邊子節點添加到物理場特徵來指定的。而在5.3版本中,邊選擇已經移至父物理場特徵的“設置”窗口中的專門欄中。這使用戶界面的佈局更清晰,用戶可以在一個窗口中查看不同幾何實體級別的選擇。

指定線性偏振器方向時的COMSOL Multiphysics 5.2a 版本的圖形用戶界面。

在COMSOL Multiphysics ® 5.2a版本中,線性偏振器的方向通過添加參考邊子節點來指定。

在COMSOL Multiphysics ® 5.2a版本中,線性偏振器的方向通過添加參考邊子節點來指定。
指定線性偏振器方向時的COMSOL Multiphysics 5.3 版本的圖形用戶界面。

在COMSOL Multiphysics ® 5.3版本中,線性偏振器的方向由線性偏振器節點“設置”窗口中的第二個選擇確定。

在COMSOL Multiphysics ® 5.3版本中,線性偏振器的方向由線性偏振器節點“設置”窗口中的第二個選擇確定。

光學像差繪圖的改進

使用光學像差繪圖在單位圓上繪製單色像差的線性組合圖時,您可以指定單位圓的位置。用戶輸入多個單位圓的不同位置後,可以在“圖形”窗口中同時查看多種像差。另外,光學像差繪圖現在還支持高度表達式繪圖屬性。用它可以在三維畫布中渲染二維像差圖,高度與Zernike多項式的組合成正比。

“射線光學模組”中模擬的四種像差。 四個像差圖,採用高度表達式和不同的單位圓位置。圖中顯示了球形像差(左上圖)、散焦(右上圖)、散光(左下圖)和垂直彗差(右下圖)。 四個像差圖,採用高度表達式和不同的單位圓位置。圖中顯示了球形像差(左上圖)、散焦(右上圖)、散光(左下圖)和垂直彗差(右下圖)。

入口的坐標系選擇

在使用入口特徵在邊界處釋放射線時,您可以使用對模型組件定義的任何坐標係來初始化粒子速度或動量。

新的射線組件耦合

此版本對幾何光學接口的每個實例自動創建了新的組件耦合,還更改了舊的組件耦合特性。例如,舊的組件耦合gop.gopop1(expr)現在自動排除了尚未釋放的射線以及消失的射線。此類射線的自由度通常為非數(NaN),因此在對射線求和以及求平均值時可以很方便地將其自動排除。

名稱 描述

gop.gopop1(expr)

基於活動射線、被困射線和凍結射線計算表達式expr 的和

gop.gopop_all1(expr)

基於所有射線計算表達式expr的和

gop.gopaveop1(expr)

基於活動射線、被困射線和凍結射線計算表達式expr的平均值

gop.gopaveop_all1(expr)

基於所有射線計算表達式expr的平均值

gop.gopmaxop1(expr)

基於活動射線、被困射線和凍結射線計算表達式expr的最大值

gop.gopmaxop_all1(expr)

基於所有射線計算表達式expr的最大值

gop.gopminop1(expr)

基於活動射線、被困射線和凍結射線計算表達式expr的最小值

gop.gopminop_all1(expr)

基於所有射線計算表達式expr的最小值

gop.gopmaxop1(expr, evalExpr)

基於活動射線、被困射線和凍結射線計算表達式expr的最大值,然後再計算evalExpr

gop.gopmaxop_all1(expr, evalExpr)

基於所有射線計算表達式expr的最大值,然後再計算evalExpr

gop.gopminop1(expr, evalExpr)

基於活動射線、被困射線和凍結射線計算表達式expr的最小值,然後再計算evalExpr

gop.gopminop_all1(expr, evalExpr)

基於所有射線計算表達式expr的最小值,然後再計算evalExpr

基於射線狀態的額外統計信息

在選中存儲射線狀態數據複選框時,將定義下列新變量。

注:對於幾何光學接口中的實例,在編寫表達式時使用標記gop物理場接口標記因此將根據不同的物理場接口而有所不同。

名稱 表達式 描述

gop.ffr

gop.gopop1(gop.fs==2)

最終時間凍結的射線分數

gop.fst

gop.gopop1(gop.fs==3)

最終時間被困的射線分數

gop.fac

gop.gopop1(gop.fs==1)

最終時間活動的射線分數

gop.fds

gop.gopop1(gop.fs==4)

最終時間消失的射線分數

gop.fse

gop.gopop1(!primary&&gop.fs>0)/gop.Ms

最終時間釋放的二次射線分數

指定射線釋放時間的高級選項

現在您可以針對不同的射線輸入釋放時間範圍。在前幾版本中,所有射線都必須同時釋放。要啟用不同釋放時間的明細,在幾何光學接口“設置”窗口的高級設置欄中,選中允許多個釋放時間複選框。隨後,在釋放特徵節點上,您就可以指定釋放時間範圍了。

雙向耦合模型的基於收斂性的終止準則

對於使用雙向耦合粒子追踪研究步驟在穩態解和射線追踪解之間迭代的模型,現在要終止求解器循環,您可以基於收斂準則,而不是固定迭代次數。

新的App:太陽能腔式接收器設計器

太陽能聚光器/腔式接收器系統可用於將入射太陽輻射聚焦到較小區域,從而產生熱量密集。這些熱能然後可以轉換成電能或化學能。太陽能熱發電系統中常見的品質因數是聚光比,即接收器表面或焦平面中的太陽能通量與環境太陽能通量的比率。

太陽能腔式接收器設計器是基於“碟式太陽能接收器”教學模型的可運行App。在此App 中,拋物面碟形太陽能接收器對入射的太陽能輻射進行反射,聚焦的太陽能輻射收集在小型腔體中。研究了總共六個不用的參數化腔式幾何結構:圓柱形、圓頂形、異錐形、橢圓形、球形和圓錐形。其中還可以考慮幾種不同類型的擾動,包括太陽能臨邊昏暗和表面粗糙度。對於每種腔式幾何,內置的繪圖顯示焦平面上的通量分佈和聚光比,以及腔體內表面的入射通量。

COMSOL Multiphysics 5.3 版本中新增的“太陽能腔式接收器設計器”App。
“太陽能腔式接收器設計器”App。顯示的幾何包含面向太陽的拋物線反射鏡和一個異錐形的腔式接收器。 “太陽能腔式接收器設計器”App。顯示的幾何包含面向太陽的拋物線反射鏡和一個異錐形的腔式接收器。


如需“太陽能腔式接收器設計器”App,請訪問以下“案例庫”路徑:
Ray_Optics_Module/Applications/solar_dish_receiver_designer

新的教學模型:全內反射薄膜無色散移相器(TIRTF APS)

對於各種光學器件,改變光的偏振這一能力至關重要。例如,光的偏振對於光頻隔離器、衰減器和分束器的性能會產生顯著影響。光產生一定的偏振(多數情況下是線性或圓形偏振)後可以大幅度減少光學系統中的炫光。

操控偏振的其中一種最基本的方法是波延遲,即使電場的一個分量相對於傳播光束中的正交電場分量產生一個相位延遲。在此教程中,全內反射現像用於設計和模擬在較寬光譜範圍內相位幾乎均勻延遲的無色散移相器或波延遲器。相位延遲受到兩個介質間邊界上薄電介質的影響。

此基準模型計算了單層和三層塗層的相位延遲角,並與發表的結果進行了比較。此原理可用於設計在較寬光譜範圍內相位幾乎均勻延遲的全內反射薄膜無色散移相器(TIRTF APS)。

來自“無色散移相器”教學模型的繪圖。 根據自由空間波長繪製的相位延遲。如果多層電介質塗層應用在反射面上,則在較寬光譜範圍內相位的延遲會更均勻。 根據自由空間波長繪製的相位延遲。如果多層電介質塗層應用在反射面上,則在較寬光譜範圍內相位的延遲會更均勻。


如需“無色散移相器”教學模型,請訪問以下“案例庫”路徑:
Ray_Optics_Module/Polychromatic_Light/achromatic_phase_shifter

新的教程模型:菲涅耳菱形鏡

菲涅耳菱形鏡是利用全內反射來操控光偏振的棱鏡。在本例中,一束光入射到棱鏡中發生內反射,入射角在s 偏振輻射與p 偏振輻射之間存在45 度的相位延遲。經兩次這樣的反射後,棱鏡使入射線偏振光轉換為圓偏振光。

“射線光學模組”中“菲涅耳菱形鏡”教學模型的繪圖。 菲涅耳菱形鏡中的射線反生橢圓偏振。最初射線呈線性偏振,偏振方向與入射平面成45 度,發生一次反射後呈橢圓偏振,發生二次反射後呈圓形偏振。 菲涅耳菱形鏡中的射線反生橢圓偏振。最初射線呈線性偏振,偏振方向與入射平面成45 度,發生一次反射後呈橢圓偏振,發生二次反射後呈圓形偏振。


如需“菲涅耳菱形鏡”教學模型,請訪問以下“案例庫”路徑:
Ray_Optics_Module/Tutorials/fresnel_rhomb