Modellierungssoftware für Raytracing in optisch großen Systemen

Ein Petzval-Linsenmodell mit Strahlen unter drei verschiedenen Winkeln.

STOP-Analyse

Optische Systeme können extrem empfindlich auf Veränderungen in ihrer Umgebung reagieren, z. B. in großen Höhen, im Weltraum, unter Wasser und in Laser- und Nuklearanlagen. Solche optischen Systeme sind mechanischen Belastungen und extremen Temperaturen ausgesetzt. Der genaueste Weg, diese Umwelteinflüsse vollständig zu erfassen, ist die numerische Simulation mittels einer STOP-Analyse. Mit der Software COMSOL Multiphysics^® können Sie mechanische, thermische und optische Effekte in einem einzigen Modell kombinieren, so dass Strahlen in der durch thermische Spannungen verformten Geometrie verfolgt werden, während die eingebauten Materialmodelle die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes berücksichtigen.

Sie können das Ray Optics Module auch mit anderen Zusatzmodulen kombinieren, die erweiterte mechanische und thermische Modellierungsmöglichkeiten bieten – zum Beispiel zur Berücksichtigung von Wärmestrahlung, konjugiertem Wärmetransport, hyperelastischen Materialien und Piezoelektrizität.

Was Sie mit dem Ray Optics Module modellieren können

Führen Sie optische Raytracing-Analysen mit COMSOL^® Software durch.

Linsen

Analysieren Sie die monochromatischen Aberrationen eines optischen Systems.

Eine Nahaufnahme des Modells einer Kompaktkamera, die die Strahlengänge zeigt.

Kameras

Entwerfen Sie Kamera-Module mit mehreren asphärischen Oberflächen.

Nahaufnahme des Modells eines Bow-Tie-Laserresonators mit Darstellung der Strahlengänge.

Laser Cavities

Sagen Sie die Laserstabilität mit Hilfe von Raytracing-Funktionen vorher.

Nahaufnahme eines Laserfokussierungssystems mit Strahlengängen.

Laser-Fokussiersysteme

Verfolgen Sie Strahlen durch Hochleistungslaser-Fokussiersysteme.

Eine Nahaufnahme eines Fresnel-Rhombenmodells, das die Strahlenausbreitung zeigt.

Prismen und Beschichtungen

Manipulieren Sie die Polarisation von Licht mit Hilfe eines integrierten Stokes-Mueller-Formalismus.

Nahaufnahme eines Newton'schen Teleskopmodells, das die Verformung und den Strahlengang zeigt.

Teleskope

Analysieren Sie Strahlen durch verschiedene Teleskopsysteme.

Eine Nahaufnahme eines Hotelmodells zeigt die kaustischen Flächen am Boden.

Solarstrahlung

Analysieren Sie reflektierte Strahlen und Konzentrator-/Empfangssysteme für Solarschüsseln.

Nahaufnahme eines Monochromatormodells, das das Strahlendiagramm zeigt.

Spektrometer und Monochromatoren

Trennen Sie polychromatisches Licht mit Hilfe von Gittern oder dispersiven Medien.

Interferometer

Modellieren Sie die Wechselwirkung von Strahlen mit sich bewegenden und rotierenden Oberflächen.

Nahaufnahme eines mikrolithografischen Linsenmodells, das die sich ausbreitenden Strahlen zeigt.

UV-Lithographie

Fokussieren Sie ultraviolette Strahlen zu einem Punkt im Submikronbereich auf einem Siliziumsubstrat.

Features und Funktionalität im Ray Optics Module

Das Ray Optics Module verwendet einen Ray-Tracing-Ansatz zur Modellierung von Lichtausbreitung und elektromagnetischer Strahlung.

Eine Nahaufnahme des Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Geometrical Optics und einer Doppel-Gauß-Linse im Grafikfenster.

Geometrische Optik

Geometrische Optik kann verwendet werden, um die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in optisch großen Strukturen zu modellieren. Das Interface Geometrical Optics beinhaltet eine integrierte Handhabung von Strahlenintensität und -polarisation. Für die Intensitätsberechnung wird eine Form der Stokes-Müller-Berechnung verwendet, die es einfach macht, vollständig polarisierte, unpolarisierte und teilweise polarisierte Strahlen zu verfolgen.

Ein flexibler Strahlverfolgungsalgorithmus ermöglicht die Ausbreitung der Strahlen sowohl durch homogene als auch durch Gradientenindex-Medien (GRIN). Sie können auch monochromatisch oder polychromatisch sein, wobei Sie eine Verteilung der Wellenlängen oder eine Reihe von diskreten Werten angeben können.

Eine Nahansicht des Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Loaded Part und dem entsprechenden Fenster Settings.

Linsen- und Spiegelgeometrien

Das Ray Optics Module enthält eine Bibliothek mit grundlegenden Geometrieteilen wie Spiegeln, Linsen, Prismen und Blenden. Jedes dieser Teile ist vollständig parametrisiert, und viele von ihnen enthalten Varianten mit verschiedenen Kombinationen von Eingabeparametern, so dass diese bequem an ein optisches Design angepasst werden können.

Sie können beispielsweise einen sphärischen oder konischen Spiegel in die Geometriesequenz einfügen. Sie können definieren ob die Oberfläche konkav oder konvex ist, den Krümmungsradius eingeben und dann den lichten Durchmesser, den vollen Durchmesser und den Durchmesser der Fläche (falls vorhanden) angeben. Diese Eingaben können manuell oder durch Ausführen einer Parametric Sweep-Studie angepasst werden. Darüber hinaus können die Teile mit Hilfe von integrierten Arbeitsebenen in Bezug auf zuvor eingefügte Teile ausgerichtet werden, und die Teile können automatisch benannte Selektionen erstellen, um die Randbedingungen den richtigen Flächen zuzuweisen.

Eine Nahaufnahme des Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Grating und einem Spektrographen im Grafikfenster.

Vielseitige und intuitive Features

Strahlen erkennen automatisch geometrische Grenzen auf ihrem Weg, ohne dass die Reihenfolge der Interaktionen zwischen Strahlen und Grenzen festgelegt werden muss. Wenn ein Strahl eine Oberfläche erreicht, kann er diffus oder spiegelnd reflektiert, gebrochen oder absorbiert werden. Sie können auch konditionale Grenzflächeninteraktionen zuweisen oder zufällig zwischen zwei verschiedenen Grenzflächeninteraktionen mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit wählen.

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

Eine Nahaufnahme des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Illuminated Surface und zwei Reflektormodellen im Grafikfenster.

Strahlfreigabe-Mechanismen

Strahlen können durch direkte Eingabe ihrer Koordinaten, durch Importieren der Koordinaten aus einer Textdatei oder durch Freigeben von Strahlen von ausgewählten geometrischen Elementen initialisiert werden. Die Strahlen können von einer beliebigen Auswahl von Bereichen, Begrenzungen, Kanten oder Punkten in der Geometrie freigesetzt werden. Es gibt auch spezielle Features, um Sonnenstrahlung an einem bestimmten Ort auf der Erdoberfläche zu reproduzieren oder um reflektierte oder gebrochene Strahlen von einer beleuchteten Grenze freizusetzen.

Beim Lösen der Strahlenintensität kann diese entweder durch einen Ausdruck oder durch das Laden einer photometrischen Datendatei (insbesondere einer IES-Datei) in das Modell initialisiert werden. Zur Modellierung von Schwarzkörperstrahlung und Gauß'scher Strahlenausbreitung stehen zusätzliche vordefinierte Funktionen für die Strahlenfreigabe zur Verfügung.

An jeder Freigabeposition können die Strahlen in eine vom Benutzer festgelegte Richtung oder in verschiedene Richtungen (sphärischen, halbkugelförmigen, konischen oder lambertianischen Verteilung) freigesetzt werden.

Eine Nahaufnahme des Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Ray Heat Source und zwei Linsen im Grafikfenster.

Ray Heating

Das Interface Ray Heating dient zur Modellierung der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in optisch großen Systemen, in denen die Strahlen und die Temperaturverteilung bidirektional (in beide Richtungen) gekoppelt sind. Die Energie, die durch die Abschwächung der Strahlen in einem absorbierenden Medium verloren geht, bildet eine Wärmequelle, die in die Temperaturberechnung einbezogen wird.

Eine Nahaufnahme des Fensters Einstellungen des Knotens Materialeigenschaften und ein Doppel-Gauß-Linsenmodell im Grafikfenster.

Optische und thermooptische Dispersionsmodelle

Der Brechungsindex eines jeden Mediums kann direkt angegeben oder aus einer optischen Dispersionsrelation abgeleitet werden. Die Dispersionskoeffizienten, z. B. 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 für die Abschwächung oder Verstärkung der Strahlen ursächlich ist.

Es stehen auch thermooptische Dispersionskoeffizienten zur Verfügung, um den Brechungsindex in Abhängigkeit von der Temperatur anzupassen. Es gibt auch ein temperaturabhängiges Sellmeier-Dispersionsmodell, das die Temperatur- und Wellenlängenabhängigkeit in einem einzigen Satz von Sellmeier-Koeffizienten kombiniert, was besonders für kryogene Materialien nützlich ist.

Eine Nahaufnahme des Model Builder mit hervorgehobenem Material-Knoten und einem Petzval-Linsenmodell im Grafikfenster.

Optische Materialbibliothek

Die Bibliothek für optische Materialien enthält Daten für Gläser von SCHOTT AG, CDGM Glass Company Ltd., Ohara Corporation und Corning Inc. sowie für verschiedene Gase, Metalle und Polymere. Für die meisten dieser optischen Gläser wird der Brechungsindex als Funktion der Wellenlänge über eine Reihe von optischen Dispersionskoeffizienten angegeben.

Zusätzlich zum Brechungsindex bieten viele der optischen Gläser in der Bibliothek Optische Materialien auch mechanische und thermische Eigenschaften wie Dichte, Elastizitätsmodul, Poissonzahl, Koeffizient der linearen thermischen Ausdehnung, Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität. Durch die Einbeziehung dieser mechanischen und thermischen Eigenschaften wird die gekoppelte STOP-Analyse weiter erleichtert. Der innere Transmissionsgrad des Glases wird auch als Funktion der Wellenlänge angegeben, so dass auch die Abschwächung des Lichts im Medium vorhergesagt werden kann.

Eine Nahaufnahme eines Spotdiagramms und eines Aberrationsdiagramms in zwei Grafikfenstern.

Visualisierung der optischen Performance

Mit den Visualisierungswerkzeugen von COMSOL Multiphysics^® haben Sie die Möglichkeit, sowohl optisch ansprechende als auch informative Simulationsergebnisse zu erstellen. Sie können Strahlen als Linien, Tuben, Punkte und Vektoren in 2D oder 3D darstellen und die Strahlen mit einem beliebigen Ausdruck einfärben, der zwischen verschiedenen Strahlen und sogar entlang des Strahlengangs variieren kann. Beim Lösen der Strahlenintensität können Sie auch Polarisationsellipsen entlang der Strahlen darstellen.

Die Software COMSOL Multiphysics^® bietet auch die Flexibilität, mehr als nur Strahlengänge darzustellen, mit anderen speziellen Plots zur Anzeige von Interferenzstreifen und zur Zerlegung der optischen Wegdifferenz in einzelne monochromatische Aberrationsterme. Sie können auch die Schnittpunkte von Strahlen mit einer Ebene, Kugel, Halbkugel oder einer spezielleren Oberfläche darstellen.

Vdara ist eine eingetragene Marke von CityCenter Land, LLC

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