使用幾何光學模組模擬大型光學系統中的光線追踪
光學射線追踪軟體
“幾何光學模組”是COMSOL Multiphysics ®軟體的附加模組，支持您使用射線追踪方法對電磁波的傳播進行建模。在建模過程中，傳播的波作為射線處理，這些射線可以在模型幾何結構的邊界上被反射、折射或吸收。這種電磁輻射的處理方式採用近似方法，當幾何結構大於波長時，這種方法非常適用。
將“幾何光學模組”與COMSOL ®產品套件中的其他模組結合使用，可以在具有溫度梯度和變形的幾何結構中進行射線追踪，從而在單個仿真環境中執行高保真結構-熱-光學性能（STOP ）分析。
幾何光學模組帶來的優勢
通過結合使用“幾何光學模組”與COMSOL Multiphysics ®軟體平台的核心功能，您可以使用許多專用的工具進行幾何光學建模。
幾何光學模組提供的工具可用於模擬：
l 汽車照明
l 建築和室內照明
l 相機
l 梯度折射率（GRIN）透鏡
l 干涉儀
l 激光腔穩定性分析
l 激光聚焦系統
l 激光雷達系統
l 光濾波器
l 單色器
l 太陽輻射和太陽能收集
l 光譜儀
l 結構-熱-光學性能（STOP）分析
l 望遠鏡
l 熱透鏡
多物理場耦合：
l 幾何光學模組包含
n 射線熱源
Petzval 透鏡系統的射線圖，其中根據射線沿透鏡軸的路徑對其進行著色。
針對Petzval 透鏡系統中三個不同的真空波長值顯示的三個點列圖。所有釋放射線的均方根射線徑向位置和最大相對射線徑向位置顯示在各個圖的下方。
大功率激光聚焦系統中的熱致焦點漂移。此模型演示雙向耦合，其中的光學擾動是由透鏡中射線衰減產生的熱量引起的。
當Vdara® 酒店在美國拉斯維加斯剛剛開業時，酒店的反射曲面會使陽光在特定的時間聚焦在游泳池附近。此模型演示如何將與游泳池邊緣相交的焦散面進行可視化。
分佈式布拉格反射鏡或介質反射鏡的反射率與波長的關係圖。
其中使用參數化掃描演示如何透過增加層數使阻帶內的反射率接近100%。
透過兩個線偏振片和四分之一波長的延遲器傳播的光的偏振橢圓。
幾何創建：輕鬆建立透鏡和反射鏡幾何結構
“幾何光學模組”提供一個基本幾何零件庫，其中包含反射鏡、透鏡、棱鏡和孔徑光闌。這些都是完全參數化的零件，其中許多零件都包含具有不同輸入參數組合的變體，因此，您可以方便地修改這些零件來滿足自己的光學設計需求。
例如，您可以將球面鏡或錐面鏡插入幾何序列；指定表面是凹面還是凸面；輸入其曲率半徑；然後指定平面鏡（如果有）的孔徑、外徑和直徑。您可以手動調整這些輸入，也可以通過運行“參數化掃描”研究來進行調整。不僅如此，您還可以使用內置工作平面相對於之前插入的零件對當前零件進行定向，零件可以自動創建命名的選擇，方便您輕鬆地將邊界條件指派給正確的表面。
“幾何光學模組”的“零件庫”包含以下零件：
l 透鏡
l 球面
l 柱面
l 非球面
l 雙合透鏡
l 反射鏡
l 同軸和離軸錐面鏡
l 平面
l 反光鏡
l 孔徑光闌
l 圓形
l 矩形
l 複合拋物面聚光器
l 軸對稱
l 槽
l 分光器
l 棱鏡
“幾何光學模組”的“零件庫”提供各種各樣的幾何零件，包括：橢圓平面鏡(1)、複合拋物面聚光器(2)、球面透鏡(3)、球面鏡(4)、矩形和圓形孔徑光闌(5)、離軸錐面鏡(6) 和角隅反射鏡(7)。
由球面主鏡和橢圓平面副鏡組成的牛頓望遠鏡中的射線。
哈勃太空望遠鏡中的光線，其中採用標準的由兩個同軸錐面鏡組成的Ritchey-Chrétien 幾何。
材料屬性：光學和熱光色散模型
每種介質的折射率都可以直接指定，也可以從光學色散關係進行推導。您既可以從材料數據庫加載色散係數（如Sellmeier 係數），也可以在用戶定義的材料中直接輸入。折射率可以是複值，其中實部確定介質中的光速，虛部則引起射線衰減或增益。
熱光色散係數還可用於根據溫度調整折射率。此外，該模組還提供溫度相關的Sellmeier 色散模型，它將溫度和波長的依賴關係組合成一組Sellmeier 係數，尤其適用於低溫材料。
顯示為二維切面的雙高斯透鏡系統。六個透鏡由三種不同的玻璃（以藍色、綠色和紅色顯示）製成，這些玻璃具有不同的光色散係數。
邊界條件：通用直觀的特徵
射線可以自動檢測其路徑中的幾何邊界，無需您指定射線-邊界相互作用的順序。當一束射線到達物體表面時，它可以被漫反射、鏡面反射、折射或吸收。您也可以指定特定條件下的邊界相互作用，或在給定概率的兩個不同邊界相互作用之間進行隨機選擇。
在電介質之間的邊界上，每一束入射線都被明確地分成反射線和折射線。此外，系統還會自動檢測全內反射。如果求解射線強度，則根據菲涅爾方程自動更新反射線和折射線的強度。您也可以在材料不連續處定義薄介電層，並將其用作濾波器、抗反射塗層或介質反射鏡。
“射線光學模組”包含以下特徵的邊界條件：
l 吸收
l 衍射光柵
l 漫（朗伯）散射
l 預定義的光學元件
l 線偏振片
l 線性波延遲器
l 圓形波延遲器
l 消偏器
l 用戶定義的Mueller 矩陣
l 電介質之間邊界處的反射/折射
l 自動檢測全內反射（TIR）
l 使用菲涅爾方程重新初始化射線強度
l 在任意表面添加單層或多層薄電介質塗層
l 鏡面反射
本例採用兩個反射鏡、兩個衍射光柵和一個Petzval 透鏡系統模擬白瞳中階梯光柵光譜儀，通過將這些元件進行組合，可以根據射線的波長將它們排列成二維點陣列。
射線釋放：多種機制
透過直接輸入射線坐標、從文本文件導入坐標，或從選定的幾何實體釋放射線，可以將射線初始化。您可以從幾何結構中的任何域、邊界、邊或點選擇中釋放射線。此模塊還提供專門的特徵，用於在地球表面的指定位置產生太陽輻射，或者從被照射的邊界釋放反射線或折射線。
在求解射線強度時，通過使用表達式或者在模型中加載光度數據文件（特別是IES 文件），可以實現射線初始化。
射線在每個釋放位置，都可以在用戶指定的方向發射；您也可以從球形、半球形、錐形或朗伯分佈中對多個不同的方向進行採樣。
碟式太陽能接收器系統在理想條件下（左）和真實條件下（右），其焦平面上的光線軌跡和沈積功率，其中考慮了表面粗糙度和太陽臨邊昏暗效應。
數值方法和研究：穩定、靈活的射線追踪算法
射線可以在均質介質和梯度折射率（GRIN）介質中傳播，它們也可以呈單色或多色，您可以在其中指定波長分佈或輸入一組離散值。
幾何光學介面提供射線強度和偏振的內置處理功能，可用於求解沿射線路徑的其他物理量。強度計算採用Stokes-Mueller演算的形式，可以方便地跟踪完全偏振、非偏振和部分偏振的射線。
准直入射光束在這個倫伯透鏡另一側的一個點聚焦，這是一種球對稱梯度折射率（GRIN）透鏡。
後處理工具：射線路徑可視化
借助COMSOL Multiphysics ®後處理工具，您可以創建信息豐富且美觀的模擬結果。您可以在二維或三維模式中將射線繪製成線、管、點和矢量，並根據任意表達式對射線進行著色，該表達式可以在不同的射線之間變化，甚至可以沿每條射線的路徑變化。在求解射線強度時，您還可以沿射線繪製偏振橢圓。
除此之外，COMSOL Multiphysics ®還提供足夠的靈活性，不僅可以顯示射線路徑，也可以生成其他專用繪圖以方便您查看干涉條紋，還能將光程差分解為單獨的單色像差項。此外，您還可以繪製射線與平面、球體、半球或更特殊表面的交點。
現實世界的光學設計和診斷
光學系統對環境的變化非常敏感，在水下和外太空等極端條件下工作時尤其如此。您可以使用COMSOL Multiphysics ®軟體和專門的附加“幾何光學模組”來創建高保真光學仿真。
由於大多數材料的折射率都遵循某種形式的熱光色散關係，因此溫度成為了最主要的環境因素。光學系統中的物理變形（無論是由熱應力還是其他外加載荷引起）也會顯著影響圖像質量。您可以在一個集成的建模環境中方便地分析所有這些多物理場現象，從而輕鬆執行耦合的結構-熱-光學性能（STOP）分析。不僅如此，您還可以將“幾何光學模組”與提供結構和熱建模擴展功能的其他附加模組結合使用，從而在模擬中考慮熱輻射、共軛傳熱、超彈性材料和壓電效應。
圖為對封閉在真空室中的Petzval 透鏡系統的結構-熱-光學性能（STOP）分析結果，顯示了三個不同視場角的射線。
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