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幾何光學模擬模組是 COMSOL Multiphysics® 軟體的附加組件,可讓您使用光線追跡方法模擬電磁波傳播。 傳播的波被視為可以反射、折射或吸收的光線追跡。 這種對電磁輻射的處理使用了在幾何形狀與波長相比較大時適用的近似。


將幾何光學模擬模組與 COMSOL 產品套件中的其他模組相結合,可以在溫度梯度和變形幾何形狀中進行光線追跡,從而在單個模擬環境中進行高保真結構-熱-光學性能 (STOP) 分析。


STOP 分析


光學系統可能對其環境的變化極為敏感,包括高海拔、太空、水下以及雷射和核設施。 這種光學系統會受到結構負載和極端溫度的影響。 完全捕捉這些環境影響的最準確方法是透過 STOP 分析進行數值模擬。 借助 COMSOL Multiphysics® 軟體,您可以將結構、熱和光學效應結合在一個模型中,從而在熱應力引起的變形幾何中追蹤光線追跡,而內置的材料模型則可以解釋材料折射率的溫度依賴性。

您還可以將幾何光學模組與提供擴展結構和熱建模功能的其他附加模組結合使用,例如考慮熱輻射、共軛熱傳、超彈性材料和壓電性。

您可以使用幾何光學模擬模組做哪些建模?

使用 COMSOL軟體執行光線追跡分析


鏡頭

分析光學系統的單色像差。

相機

設計具有多個非球面的相機模組。


雷射共振腔

使用光線追跡功能預測雷射穩定性。

雷射聚焦系統

追跡高功率雷射聚焦系統中的光線。


稜鏡和塗層

使用內置的 Stokes-Mueller 形式來操縱光的偏振。

望遠鏡

分析通過各種望遠鏡系統的光線。


太陽輻射

分析反射光線和太陽能碟形聚光器/接收器系統。

光譜儀和單色儀

使用光柵或色散介質分離多色光。


干涉儀

模擬光線與平移和旋轉表面的相互作用。

紫外光微影

將紫外光聚焦到矽基板上的次微米光點。



幾何光學模擬模組的特性和功能

幾何光學模擬模組使用光線追跡方法對光傳播和電磁輻射進行建模


幾何光學

幾何光學模擬模組可用於模擬光學大型結構中的電磁波傳播。 幾何光學介面包括對光線強度和偏振的內置處理。 強度計算使用斯托克斯-穆勒演算的一種形式,可以輕鬆追跡完全偏振、非偏振和部分偏振的光線。

靈活的光線追跡算法允許光線在均勻和漸變折射率 (GRIN) 介質中傳播。 它們也可以是單色或多色的,您可以指定波長分佈或輸入一組離散值。

光線加熱

光線加熱介面用於模擬大型光學系統中的電磁波傳播,其中光線追跡和溫度分佈是雙向耦合的。由於吸收介質中的光線衰減而損失的能量會產生一個熱源,該熱源包含在溫度計算中。


透鏡和反射鏡幾何形狀

幾何光學模擬模組包括一個基本幾何部件庫,例如反射鏡、透鏡、稜鏡和孔徑光闌。 這些部件中的每一個都是完全參數化的,其中許多都包含具有不同輸入參數組合的變體,因此可以方便地修改它們以適應光學設計。

例如,您可以在幾何序列中插入球面鏡或圓錐鏡,指定表面是凹的還是凸的,輸入其曲率半徑,然後指定平面的淨直徑、全直徑和直徑(如果有的話)。 這些輸入可以手動或透過運行參數掃描研究進行調整。 此外,可以使用內置工作平面將零件相對於先前插入的零件進行定向,並且零件可以自動創建命名選擇區以輕鬆地將邊界條件分配給正確的表面。

光學和熱光色散模型

每種介質的折射率可以被直接指定或從光色散關係導出。 色散係數(例如 Sellmeier 係數)可以從材料數據庫中載入或直接輸入到用戶定義的材料中。折射率可以是複數的,其中實部決定光在介質中的速度,而虛部導致光線衰減或增益。

熱光色散係數也可用於根據溫度調整折射率。 還有一個與溫度相關的 Sellmeier 色散模型,它將溫度和波長相關性結合到一組 Sellmeier 係數中,這對低溫材料特別有用。


多功能和直觀的特色

光線自動檢測其路徑中的幾何邊界,無需指定光線-邊界相互作用的順序。 當光線到達表面時,它可以被漫反射、鏡面反射、折射或吸收。 您還可以指定條件邊界交互或在給定概率的兩個不同邊界交互之間隨機選擇。

在電介質之間的邊界處,每條入射光線被確定性地分成反射光線和折射光線。全內反射可以被自動檢測。 如果求解了光線強度,則會根據菲涅耳方程自動更新反射和折射光線。 您還可以在材料不連續處定義薄介電層,可用作濾波器、抗反射塗層或介電反射鏡。

光學材料庫

光學材料庫包括來自 SCHOTT AG、CDGM Glass Company Ltd.、Ohara Corporation 和 Corning Inc. 的玻璃數據,以及各種氣體、金屬和聚合物。 大多數這些光學玻璃的折射率是透過一組光學色散係數作為波長的函數給出的。

除了折射率,光學材料庫中的許多光學玻璃還提供密度、楊氏模量、泊松比、線性熱膨脹係數、熱導率和比熱容等結構和熱性質。 這些結構和熱性質進一步促進了耦合 STOP 分析。 玻璃的內部穿透率也作為波長的函數列在表格中,因此也可以預測介質中的光衰減。


光線釋放機制

可以透過直接輸入其坐標、從檔案文件中導入坐標或從選定的幾何實體釋放光線追跡來初始化光線追跡。 光線可以從幾何體中任何區域、邊界、邊或點的選擇中釋放出來。 還有一些專門的功能可以在地球表面的特定位置產生太陽輻射,或者從照明邊界釋放反射或折射光線。

在求解光線強度時,可以通過使用表達式或將光度數據文件(特別是 IES 文件)載入到模型中來對其進行初始化。 其他預定義的光線釋放功能可用於模擬黑體輻射和高斯光束傳播。

在每個釋放位置,都可以向用戶指定的方向發射光線,或者可以從球形、半球形、圓錐形或Lambertian分佈中採樣多個不同的方向。

光學性能的可視化

使用 COMSOL Multiphysics® 後處理工具,您可以創建視覺上令人愉悅且資訊豐富的模擬結果。 您可以將光線繪製為 2D 或 3D 中的線、管、點和向量,並透過任意表達式為光線著色,該表達式可以在不同光線之間甚至沿著每條光線的路徑變化。 在求解光線強度時,您還可以沿光線繪製偏振橢圓。

COMSOL Multiphysics® 軟體還提供了靈活性,不僅可以顯示光線路徑,還可以使用其他專用圖表查看干涉條紋並將光程差分解為個別的單色像差項。 您還可以繪製光線與平面、球體、半球或更特殊表面的交點。


軟體展示需求

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