Модуль Геометрическая оптика

Программное обеспечение для моделирования трассировки лучей в сложных оптических системах

Модуль Геометрическая оптика

В этой учебной модели иллюстрируется способ трассировки лучей неполяризованного света с помощью системы на основе ньютоновского телескопа. Входящий свет отражается от параболического рефлектора на вспомогательный плоский рефлектор, а затем на фокальную плоскость. Такой тип телескопа был изобретен Ньютоном в 1668 г. и выпускается до сих пор из-за его низкой стоимости.

Универсальный и эффективный расчет траекторий лучей

Модуль Ray Optics (Геометрическая оптика) позволяет моделировать распространение электромагнитных волн в системах, в которых длина волны значительно короче наименьшего геометрического элемента модели. Электромагнитные волны рассматриваются как лучи, которые проникают сквозь однородные и дифференцированные среды. Траекторий таких лучей могут рассчитываться на больших расстояниях при минимальных затратах на вычисления, поскольку отсутствует необходимость выражать длину волны с помощью сетки конечных элементов. На границах сред лучи могут подвергаться отражению и рефракции.

Простая настройка моделей геометрической оптики

В модуле Ray Optics доступен ряд граничных условий, включая сочетание зеркального и рассеянного отражения. Лучи могут брать начало в областях, на границах или на регулярной сетке точек. Особые функции доступны для моделирования солнечного излучения, а также лучей, отраженных от освещенной поверхности или преломленных ею. Специализированные инструменты постобработки обеспечивают множество способов анализа траекторий лучей, оценки представления множества лучей и даже визуализации интерферограммы.


Дополнительные изображения с примерами:

  • С помощью монохроматора Черни-Тернера полихроматический свет разделяется на монохроматические лучи. Таким образом моделируется пересеченная схема Черни-Тернера, состоящая из сферического коллимирующего зеркала, плоской дифракционной решетки, сферического зеркала для изображения и матричного детектора на основе полупроводникового приемника света. В модели используется интерфейс геометрической оптики для расчета расположения лучей, падающих на поверхность детектора, на основе чего рассчитывается разрешение устройства. С помощью монохроматора Черни-Тернера полихроматический свет разделяется на монохроматические лучи. Таким образом моделируется пересеченная схема Черни-Тернера, состоящая из сферического коллимирующего зеркала, плоской дифракционной решетки, сферического зеркала для изображения и матричного детектора на основе полупроводникового приемника света. В модели используется интерфейс геометрической оптики для расчета расположения лучей, падающих на поверхность детектора, на основе чего рассчитывается разрешение устройства.
  • Для контроля интенсивности и поляризации проходящего излучения может использоваться сочетание оптических устройств, таких как поляризаторы и волновые демпферы. В этой модели для снижения интенсивности луча до нуля используются два линейных поляризатора с осями передачи излучения в прямоугольной системе координат. 
 После этого между двумя поляризаторами устанавливается демпфер на четверть или половину волны и анализируются интенсивность и поляризация переданного луча. Для контроля интенсивности и поляризации проходящего излучения может использоваться сочетание оптических устройств, таких как поляризаторы и волновые демпферы. В этой модели для снижения интенсивности луча до нуля используются два линейных поляризатора с осями передачи излучения в прямоугольной системе координат. После этого между двумя поляризаторами устанавливается демпфер на четверть или половину волны и анализируются интенсивность и поляризация переданного луча.
  • Параболическая тарелка концентрирует солнечную энергию на конечном устройстве (приемнике), что приводит к образованию теплового потока высокой интенсивности.  С его помощью можно вырабатывать пар для  питания генератора либо водород, который, в свою очередь, может служить топливом. В этой модели тепловой поток, получаемый приемником, рассчитывается как функция радиального положения и сравнивается с известными значениями. Учитываются погрешности, связанные с конечным размером солнца, потемнением по краям диска, а также шероховатости поверхности тарелки. Параболическая тарелка концентрирует солнечную энергию на конечном устройстве (приемнике), что приводит к образованию теплового потока высокой интенсивности. С его помощью можно вырабатывать пар для питания генератора либо водород, который, в свою очередь, может служить топливом. В этой модели тепловой поток, получаемый приемником, рассчитывается как функция радиального положения и сравнивается с известными значениями. Учитываются погрешности, связанные с конечным размером солнца, потемнением по краям диска, а также шероховатости поверхности тарелки.

Применение мультифизики в геометрической оптике

«На траектории лучей часто влияет изменение нагрузки и температуры, а также другие физические параметры. При этом происходит деформация области или изменение коэффициента рефракции внутри нее. Кроме того, лучи большой мощности могут продуцировать существенные источники тепла, которые воздействуют на температурное поле, вызывая заметное термическое напряжение. Модуль Ray optics содержит все необходимые функции для моделирования таких мультифизических явлений.

Накапливающие элементы областей и границ могут использоваться для создания зависимых переменных с целью хранения информации о лучах в соответствующей области или элементах граничной сетки. Поддерживаются также особые разновидности этих элементов для расчета израсходованной мощности лучей в области или на границе в ходе процесса поглощения. С помощью этих накапливающих элементов можно настраивать однонаправленное или двунаправленное сопряжение траекторий лучей, а также зависимые переменные, созданные другими физическими интерфейсами. Этот функционал может использоваться, например, для создания самосогласованных моделей термического линзового эффекта».

Особые функции постобработки для анализа лучей

Визуализация лучей возможна с помощью графика траекторий лучей, к которому добавляется цветовое выражение или деформация. Такой подход может использоваться, например, для деформации поляризованных лучей с целью визуализировать амплитуду мгновенного электрического поля. График лучей (Ray plot) позволяет строить график зависимости свойства луча от времени для всех лучей или график соотношения двух свойств луча на определенном временном интервале. С помощью графика интерферограммы (Interference pattern) возможно отслеживание интерференции поляризованных лучей, проходящих через секущую плоскость. К инструментам постобработки также относятся: функция оценки лучей (Ray Evaluation) для построения таблиц цифровых данных, отображение Пуанкаре (точечная диаграмма) (Poincaré map) для отображения пересечения траекторий лучей с плоскостью, а также фазовый портрет (Phase Portrait) для построения графика соотношения двух переменных для всех лучей в фазовом пространстве.

Встроенные инструменты анализа интенсивности, поляризации и других свойств лучей

Модуль геометрической оптики содержит ряд специализированных интерфейсов для различных областей применения и описания физических свойств — т. н. «физические интерфейсы». Интерфейс Geometrical Optics (Геометрическая оптика) содержит дополнительные переменные для расчета интенсивности лучей на основе параметров Стокса, что позволяет моделировать поляризованное, частично когерентное и неполяризованное излучение. Поляризация на границах может изменяться с помощью граничных условий для стандартных оптических компонентов, таких как линейные поляризаторы и демпферы. При расчете интенсивности лучи рассматриваются как фронты волн, для которых вычисляются главные радиусы кривизны, что позволяет с легкостью визуализировать фокальные поверхности. На границах сред коэффициенты отражения и проницаемости рассчитываются с помощью уравнений Френеля с возможностью внесения поправок при наличии тонких диэлектрических пленок. При необходимости рассчитать мгновенное электрическое поле, как в случае с интерферометрами, возможна активация фазовой переменной. Другие настройки физического интерфейса могут использоваться для расчета длины оптического пути, определения плотности распределения лучей и повышения точности траекторий лучей в поглощающей среде.

Удобное конфигурирование решателя с использованием специальных настроек

Хотя траектории лучей рассчитываются во временной области, указывать список временных интервалов не всегда необходимо. Этап исследования трассировки лучей (Ray Tracing study) позволяет решать задачи, связанные с траекториями лучей, при непосредственном указании нужного диапазона длин оптического пути. Эффективность этого исследования можно повысить благодаря условиям завершения работы решателя, основанного на временных интервалах, например, если все лучи покидают область моделирования или если интенсивностью оставшихся лучей можно пренебречь, то решателю не потребуется производить дополнительные расчеты.

Michelson Interferometer

Vdara® Caustic Surface

Diffraction Grating

Gravitational Lensing

Solar Dish Receiver

Thermally Induced Focal Shift

Anti-reflective Coating, Multilayer

Corner Cube Retroreflector

Distributed Bragg Reflector

Czerny-Turner Monochromator