Обновление модуля Геометрическая оптика

Для пользователей модуля Геометрическая оптика в COMSOL Multiphysics® версии 5.3 добавлена новая функция Ray Termination (Прерывание луча), устраняющая лишние лучи, возможность импорта фотометрических данных и новое приложение для моделирования приемника типа солнечная тарелка. Содержание обновления модуля Геометрическая оптика приведено ниже.

Опция Ray Termination (Прерывание луча)

Новая функция Ray Termination (Прерывание луча) используется для уничтожения лучей и не требует останавливать луч на границе. Лучи могут прерываться при выходе за границы, которые определяются геометрией или заданными пользователем пространственными координатами. Функцию Ray Termination (Прерывание лучей) можно использовать, чтобы избавиться от лишней информации о траекториях лучей и мешающих отражений на графике траектории. Помимо геометрических ограничений, лучи можно прервать, если их интенсивность или мощность становятся меньше заданного порога или они слишком далеко отклоняются от геометрии модели. Использование этой функции позволяет уменьшить затраты вычислительных ресурсов на расчет лучей, ослабленных в поглощающих средах, и лучей, которые имеют чрезвычайно низкую интенсивность из-за взаимодействия с искривленными поверхностями.

 

Фокусировка коллимированного луча двояковыпуклой линзой без покрытия. Рассеянный свет, отраженный от поверхности линзы, устраняется с помощью функции _Ray Termination (Прерывание луча). Цветовая шкала кодирует логарифм интенсивности луча.



 
  • Лучи распространяются через две выпуклые линзы с фокусным расстоянием 200 мм (сверху) и 100 мм (снизу). Интенсивность лучей, проходящих через линзу с более коротким фокусным расстоянием, уменьшается быстрее за фокальной точкой, поэтому они прерываются опцией Ray Termination (Прерывание лучей), а лучи, проходящие через линзу с более длинным фокусным расстоянием, продолжают распространяться.

Импорт фотометрических файлов данных

Можно задавать неравномерные распределения интенсивности и мощности луча, импортируя файлы фотометрических данных в модель геометрической оптики. Операция Photometric Data File (Фотометрические файлы данных) поддерживает файлы формата .ies — стандартного формата файлов фотометрических данных Общества производителей осветительного оборудования Северной Америки (IESNA). Чтобы выполнить операцию, выберите Photometric Data Import (Импорт фотометрических данных) для Intensity initialization (Инициализация интенсивности) в разделе Total Source Power (Общая мощность источника) узла Release from Grid (Использовать сетку как источник).

После импортирования файла фотометрических данных в модель генерируется набор функций, которые используются для инициализации интенсивности и мощности луча в зависимости от начального направления луча. Можно задать направления для фотометрической горизонтали и фотометрического нуля, которые показывают ориентацию лампы в соответствии со стандартами IES.

Пример использования опции Photometric Data File (Файл фотометрических данных) в модели геометрической оптики.

Лучи высвобождаются в полусферическом распределении вокруг оси z. Цветовая шкала кодирует интенсивность луча, которая генерируется из импортированного файла фотометрических данных.

Лучи высвобождаются в полусферическом распределении вокруг оси z. Цветовая шкала кодирует интенсивность луча, которая генерируется из импортированного файла фотометрических данных.

Варианты геометрических моделей

Теперь указать размеры геометрических частей в специализированной библиотеке частей для модуля Геометрическая оптика можно несколькими способами. При загрузке части в модель можно выбрать набор входных параметров, или вариант части, который вы хотите использовать. При нажатии кнопки Add to Geometry (Добавить в геометрию) появится диалоговое окно, предлагающее выбрать вариант части.

Новые части геометрии: составные параболические концентраторы


В Библиотеку частей модуля Геометрическая оптика добавлен параболический концентратор. Параболический солнечный концентратор имеет параболические поверхности, расположенные на таком расстоянии друг от друга, что фокус одной поверхности находится на нижнем краю противоположной. Такой концентратор фокусирует любой попадающий на него луч света, если угол падения меньше так называемого угла охвата, что делает его полезным в тех случаях, когда фокусируемые лучи могут падать с разных направлений.

Пример, показывающий часть геометрии составного параболического концентратора. Когда лучи падают под углом, равным половине угла охвата составного параболического концентратора, они сходятся в фокусе на противоположной стороне. Когда лучи падают под углом, равным половине угла охвата составного параболического концентратора, они сходятся в фокусе на противоположной стороне.


 




Первоначально лучи выпускаются в параболический концентратор в соответствии с коническим распределением. Поскольку угол раствора конуса меньше угла охвата, все лучи фокусируются параболическими поверхностями и попадают на приемник (показанный синей линией)


Ламбертово излучение

Теперь опции испускания лучей включают возможность испускания лучей с ламбертовым распределением начальных направлений. Лучи испускаются с начальными направлениями, заданными по закону косинусов Ламберта.

Закон косинуса Ламберта гласит, что вероятность того, что луч будет испускаться через элемент дифференциального телесного угла dω с полярным углом θ, пропорциональна cos θ. Для сравнения, в изотропном полусферическом распределении луч с равной вероятностью может испускаться через любой дифференциальный телесный угол в полушарии.

Визуальное сравнение изотропного полусферического излучения и излучения Ламберта. Сравнение распределения лучей при изотропном полусферическом излучении (слева) и ламбертовом излучении (справа). Сравнение распределения лучей при изотропном полусферическом излучении (слева) и ламбертовом излучении (справа).
График COMSOL изотропного и ламбертова распределений скоростей. Гистограмма полярных углов при изотропном и ламбертовом распределении. Гистограмма полярных углов при изотропном и ламбертовом распределении.

Улучшенная трассировка лучей в двухмерных осесимметричных геометриях

При вычислении интенсивности луча в двухмерных осесимметричных моделях волновой фронт, связанный с распространяющимся лучом, теперь рассматривается как сферическая или эллипсоидальная волна вместо цилиндрической волны, которая подходила только для двухмерных моделей. Другими словами, главный радиус кривизны, связанный с азимутальным направлением, вычисляется для всех лучей. Это улучшение приводит к более точным расчетам интенсивности луча в двухмерных осесимметричных моделях.

Кроме того, для испускания лучей от ребер, точек или в заданных координатах вдоль оси симметрии были включены специальные опции излучения. При использовании одной из этих специальных опций доступна встроенная опция, позволяющая испускать лучи в анизотропном полушарии, так что каждый луч покрывает один и тот же телесный угол в трехмерном представлении.

Пример испускания лучей из оси симметрии. При использовании опции для сферически симметричного испускания лучей из оси симметрии, лучи в радиальном направлении получают большие весовые коэффициенты, так что каждый луч покрывает примерно один и тот же телесный угол в трехмерном представлении. Ось симметрии показана сплошной красной линией. При использовании опции для сферически симметричного испускания лучей из оси симметрии, лучи в радиальном направлении получают большие весовые коэффициенты, так что каждый луч покрывает примерно один и тот же телесный угол в трехмерном представлении. Ось симметрии показана сплошной красной линией.
Пример двухмерной осесимметричной геометрии. Зеркальное отражение плоской волны в двухмерной осесимметричной модели. Ось симметрии показана сплошной красной линией. Цветовая шкала кодирует интенсивность луча. Несмотря на то, что граница является прямой гранью, интенсивность лучей увеличивается после отражения, потому что граница рассматривается как поверхность вращения для вычисления кривизны волнового фронта. Зеркальное отражение плоской волны в двухмерной осесимметричной модели. Ось симметрии показана сплошной красной линией. Цветовая шкала кодирует интенсивность луча. Несмотря на то, что граница является прямой гранью, интенсивность лучей увеличивается после отражения, потому что граница рассматривается как поверхность вращения для вычисления кривизны волнового фронта.

Визуализация траекторий лучей с помощью лент

При построении графика Ray Trajectories (Траектории луча) стало возможным отображать траектории лучей в виде лент. Пользователь может задавать толщину и ориентацию ленты вручную. Например, при визуализации распространения луча в среде с градиентным показателем преломления можно задать перпендикулярную или параллельную ориентацию лент относительно плоскости, содержащей искривленные траектории лучей.

Демонстрация рендеринга траектории лучей в виде лент в программном пакете COMSOL Multiphysics версии 5.3. Распространение лучей через линзу Люнеберга с градуированным показателем преломления. Лучи, не проходящие через ось симметрии линзы, распространяются по изогнутой траектории. Здесь ориентация ленты нормальна к плоскости распространения лучей, а цветовая шкала кодирует интенсивность луча. Распространение лучей через линзу Люнеберга с градуированным показателем преломления. Лучи, не проходящие через ось симметрии линзы, распространяются по изогнутой траектории. Здесь ориентация ленты нормальна к плоскости распространения лучей, а цветовая шкала кодирует интенсивность луча.

Дополнительные временные шаги при визуализации траекторий

При построении графиков траекторий лучей теперь стало легче использовать дополнительные временные шаги, соответствующие моментам взаимодействия лучей со стенками. Количество этих дополнительных временных шагов теперь можно контролировать непосредственно в окне Settings (Настройки) для графика Ray Trajectories (Траектории луча). Встроенные опции позволяют задавать максимальное число дополнительных временных шагов непосредственно или как кратное число временных шагов сохраненного решения.

Четыре графика траектории с разным количеством дополнительных временных шагов. По мере увеличения количества дополнительных временных шагов на графике траектории, время отражения каждого луча от стены можно определить точнее. По мере увеличения количества дополнительных временных шагов на графике траектории, время отражения каждого луча от стены можно определить точнее.

Функция Ray Detector (Обнаружение лучей)

Функция Ray Detector (Обнаружение лучей) — функция областей и границ, которая позволяет получать информацию о лучах, падающих на данный набор выбранных областей или границ из функции-источника, к примеру, число прошедших сквозь объект лучей, или отношение числа прошедших лучей к числу выпущенных. При этом, подсчет возможен среди всех лучей, или только среди лучей, испущенных каким-либо объектом. Данная функция предоставляет удобные выражения, которые можно использовать в атрибуте Filter (Фильтр) графика Ray Trajectories (Траектории луча). Фильтр позволяет визуализировать только лучи, достигшие какого-либо объекта из заданной выборки границ и разделов.

Следующие переменные определяются вызовом функции Ray Detector (Обнаружение луча) с пометками функции <tag>:

  • <tag>Nsel_: число лучей, прошедших к детектору от испускающего объекта
  • <tag>.alpha_: коэффициент пропускания (вероятность) от испускающего объекта к детектору
  • <tag>.rL_: логическое выражение для включения лучей. Это выражение можно установить в атрибуте Filter (Фильтр) графика Ray Trajectories (Траектории луча), чтобы визуализировать лучи, соединяющие источник излучения с детектором.</tag></tag></tag></tag>
 


Лучи испускаются изотропно от точечного источника и отражаются зеркально, пока они не попадут на поглощающую поверхность (отмечена красным). При использовании опции _Ray Detector (Детектор излучения) легко задать выражения фильтра для отображения только тех лучей, которые попадают на поглощающую поверхность (внизу)._

Дополнительные выборки для элементов физики

Для некоторых элементов физики, таких как Grating (Решетка), Linear Polarizer (Линейный поляризатор), Linear Wave Retarder (Линейный замедлитель волны) и Mueller Matrix (Матрица Мюллера), кроме выборки границ физического объекта иногда необходимо указать выборку ребер. Как правило, такая выборка ребер используется, чтобы указать ориентацию дифракционной решетки или оптического компонента в трехмерном представлении. В предыдущих версиях COMSOL Multiphysics® выборка ребер определялась добавлением подузла Reference Edge (Опорное ребро) для элементов физики. Однако в версии 5.3 выборка ребер перемещена в специальный раздел в окне Settings (Настройки) родительского элемента физики. Такой перенос обеспечивает более прозрачную компоновку пользовательского интерфейса, при которой выборки разных уровней геометрических элементов могут быть представлены в одном окне.

Графический интерфейс COMSOL Multiphysics версии 5.2a при выборе ориентации линейного поляризатора.

В версии COMSOL Multiphysics® версии 5.2a ориентация линейного поляризатора задавалась добавлением подузла Reference Edge (Опорное ребро).

В версии COMSOL Multiphysics® версии 5.2a ориентация линейного поляризатора задавалась добавлением подузла Reference Edge (Опорное ребро).
Графический интерфейс COMSOL Multiphysics версии 5.3 при выборе ориентации линейного поляризатора.

В версии 5.3 программного пакета COMSOL Multiphysics® ориентация линейного поляризатора определяется второй выборкой в окне Settings (Настройки) узла Linear Polarizer (Линейный поляризатор).

В версии 5.3 программного пакета COMSOL Multiphysics® ориентация линейного поляризатора определяется второй выборкой в окне Settings (Настройки) узла Linear Polarizer (Линейный поляризатор).

Улучшение при построении графиков оптической аберрации

Используя функцию Optical Aberration (Оптическая аберрация) при построении графиков линейных комбинаций монохроматических аберраций на единичном круге, можно указать его положение. Указывая различные положения для нескольких единичных кругов, можно одновременно просматривать несколько типов аберраций в графическом окне. Кроме того, в построении графиков Optical Aberration (Оптическая абберация) теперь поддерживается атрибут построения графиков Height Expression (Выражение для высоты). Используйте его для построения графика двухмерной аберрации в трехмерном пространстве с третьей координатой, пропорциональной комбинации полиномов Цернике.

Четыре аберрации, смоделированные с помощью модуля Геометрическая оптика. График четырех аберраций с использованием выражений для высоты и разных положений единичного круга. Показаны: сферическая аберрация (сверху слева), расфокусировка (сверху справа), астигматизм (внизу слева) и вертикальная коматическая аберрация (внизу справа). График четырех аберраций с использованием выражений для высоты и разных положений единичного круга. Показаны: сферическая аберрация (сверху слева), расфокусировка (сверху справа), астигматизм (внизу слева) и вертикальная коматическая аберрация (внизу справа).

Выборка системы координат для входных каналов

При испускании лучей на границе с помощью опции Inlet (Входной канал), можно задать значение скорости или импульса частицы, используя любую систему координат, которая была определена для компонента модели.

Новые соединения компонентов для лучей

Новые соединения компонентов автоматически создаются для каждого экземпляра интерфейса Geometrical Optics (Геометрическая оптика), одновременно с этим изменилось поведение старых компонентных связей. Старые соединения компонентов, например gop.gopop1 (expr), теперь автоматически исключают лучи, которые еще не были испущены или исчезли. Степени свободы таких лучей обычно представляются как «не число» (NaN), так что их удобно исключать при вычислении сумм и средних значений на множестве лучей.

Название Описание

gop.gopop1(expr)

Суммирование выражения expr по всем активным, замершим и остановленным лучам

gop.gopop_all1(expr)

Суммирование выражения expr по всем лучам

gop.gopaveop1(expr)

Получение среднего для выражения expr по активным, замершим и остановленным лучам

gop.gopaveop_all1(expr)

Получение среднего для выражения expr по всем лучам

gop.gopmaxop1(expr)

Нахождение максимума выражения expr среди активных, замерших и остановленных лучей

gop.gopmaxop_all1(expr)

Нахождение максимума выражения expr среди всех лучей

gop.gopminop1(expr)

Нахождение минимума выражения expr среди активных, замерших и остановленных лучей

gop.gopminop_all1(expr)

Нахождение минимума выражения expr среди всех лучей

gop.gopmaxop1(expr, evalExpr)

Вычислить exalExpr для максимума значения expr по всем активным, замершим и остановленным лучам

gop.gopmaxop_all1(expr, evalExpr)

Вычислить exalExpr для максимума значения expr по всем лучам

gop.gopminop1(expr, evalExpr)

Вычислить exalExpr для минимума значения expr по всем активным, замершим и остановленным лучам

gop.gopminop_all1(expr, evalExpr)

Вычислить exalExpr для максимума значения expr по всем лучам

Дополнительная статистика, основанная на состоянии лучей

Когда выбран флажок Store ray status data (Сохранять данные состояния лучей), будут определены следующие новые переменные.

Примечание: Выражения записаны для экземпляра интерфейса Geometrical Optics (Геометрическая оптика) с пометкой gop. Естественно, для других физических интерфейсов пометки будут отличаться.

Название Выражение Описание

gop.ffr

gop.gopop1(gop.fs==2)

Доля остановленных лучей на момент завершения

gop.fst

gop.gopop1(gop.fs==3)

Доля замерших лучей на момент завершения

gop.fac

gop.gopop1(gop.fs==1)

Доля лучей, активных на момент завершения

gop.fds

gop.gopop1(gop.fs==4)

Доля лучей, вышедших из моделирования на момент завершения

gop.fse

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

Доля всех испущенных вторичных лучей на момент завершения

Дополнительные параметры для указания времени испускания лучей

Теперь можно ввести диапазон времен испускания луча. В предыдущих версиях все лучи должны были испускаться одновременно. Для включения опции разного времени испускания, установите флажок Allow multiple release times (Разрешить несколько времен испускания) в разделе Advanced Settings (Расширенные настройки) в окне Settings (Настройки) интерфейса Geometrical Optics (Геометрическая оптика). Затем в узле опции испускания можно указать диапазон времени испускания.

Критерии завершения на основе сходимости для двусторонне-связанных моделей

Для моделей, использующих шаг исследования Bidirectionally Coupled Particle Tracing (Двусторонне-связанная трассировка частиц) при итерациях между стационарными решениями и решениями трассировки лучей теперь можно завершать процесс решения задачи на основании критерия сходимости, а не выполнения фиксированного числа итераций.

Новое приложение: Проектирование полостного приемника солнечного света

Системы солнечных концентраторов и резонаторов могут использоваться для фокусировки падающего солнечного излучения в небольшую область, которую они сильно нагревают. Затем тепло можно преобразовать в электрическую или химическую энергию. Общим показателем качества в системах солнечной тепловой энергии является отношение концентрации, или отношение солнечного потока на поверхности приемника или в фокальной плоскости к окружающему солнечному потоку.

Solar Cavity Receiver Designer (Проектирование полостного приемника солнечного света) — запускаемое приложение, основанное на учебной модели Solar Dish Receiver (Приемник типа «солнечная тарелка»). В этом приложении падающее солнечное излучение отражается параболической тарелкой, а концентрированное солнечное излучение собирается в небольшой полости. Для исследования доступно шесть различных параметризованных геометрий полости: Cylindrical (Цилиндрическая), Dome (Купольная), Heteroconical (Биконическая), Elliptical (Эллиптическая), Spherical (Сферическая) и Conical (Коническая). Также можно учитывать несколько различных типов возмущений, в том числе потемнение солнечного диска к краю и неровности поверхности. Для каждой геометрии полости встроенные графики показывают распределение потока и отношение концентрации в фокальной плоскости, а также падающий поток на внутренних поверхностях полости.

Новое приложение Solar Cavity Receiver Designer (Проектирование полостного приемника солнечного света) в COMSOL Multiphysics версии 5.3. Приложение Solar Cavity Receiver Designer (Проектирование полостного приемника солнечного света). Представленная геометрия состоит из параболического отражателя, развернутого к солнцу, и биконической полости приемника. Приложение Solar Cavity Receiver Designer (Проектирование полостного приемника солнечного света). Представленная геометрия состоит из параболического отражателя, развернутого к солнцу, и биконической полости приемника.


Путь в Библиотеке приложений к приложению Solar Cavity Receiver Designer (Проектирование полостного приемника солнечного света):
Ray_Optics_Module/Applications/solar_dish_receiver_designer

Новая учебная модель: Тонкопленочное ахроматическое фазосдвигающее устройство с полным внутренним отражением (Total Internal Reflection Thin-Film Achromatic Phase Shifter)

Управление поляризацией света важно для работы многих оптических устройств. К примеру, поляризация света существенно влияет на рабочие характеристики оптических вентилей, аттенюаторов и светоделителей. Используя свет определенной поляризации (как правило, линейной или круговой), можно значительно ослабить блики в оптических системах.

Одним из фундаментальных методов управления поляризацией является использование устройств задержки волны, в которых одна компонента электромагнитной волны в луче, проходящем через устройство, подвергается фазовому сдвигу, или задержке, по отношению к ортогональной компоненте. В данной учебной модели демонстрируется проектирование и моделирование ахроматического фазосдвигающего устройства, использующего полное внутреннее отражение. Такое устройство задержки волны обеспечивает равномерный сдвиг фазы в широком спектральном диапазоне. На сдвиг фазы влияют тонкие диэлектрические покрытия, расположенные на границе двух сред.

В данной тестовой модели рассчитываются углы сдвига фаз для случаев одно- и трехслойного покрытия, которые затем сравниваются с данными из литературы. Используя этот эффект, можно сконструировать тонкопленочное ахроматическое фазосдвигающее устройство с полным внутренним отражением, характеризующееся практически одинаковым фазовым сдвигом в широком спектральном диапазоне.

График учебной модели Achromatic Phase Shifter (Ахроматический фазовращатель). График задержки фазы строится в зависимости от длины волны в свободном пространстве. Задержка фазы может быть более однородной в широком спектральном диапазоне, если на отражающую поверхность нанесено многослойное диэлектрическое покрытие. График задержки фазы строится в зависимости от длины волны в свободном пространстве. Задержка фазы может быть более однородной в широком спектральном диапазоне, если на отражающую поверхность нанесено многослойное диэлектрическое покрытие.


Путь к файлам библиотеки приложений, использующимся в учебной модели Achromatic Phase Shifter (Ахроматический фазовращатель):
Ray_Optics_Module/Polychromatic_Light/achromatic_phase_shifter

Новая учебная модель: ромб Френеля

Ромб Френеля — это призма, меняющая поляризацию света с помощью полного внутреннего отражения. В данном примере луч света, распространяющийся в призме, испытывает внутреннее отражение под таким углом, чтобы наведенный сдвиг фаз между его s- и p-поляризованными компонентами составлял 45 градусов. Подвергая пучок света двум таким отражениям, призма превращает линейную поляризацию проходящего через нее луча в круговую.

График учебной модели Fresnel Rhomb (Ромб Френеля) в модуле Геометрическая оптика. Поляризационные эллипсы луча в ромбе Френеля. Луч первоначально линейно поляризован под углом 45 градусов к плоскости падения, после одного отражения становится эллиптически поляризованным, а после двух отражений имеет круговую поляризацию. Поляризационные эллипсы луча в ромбе Френеля. Луч первоначально линейно поляризован под углом 45 градусов к плоскости падения, после одного отражения становится эллиптически поляризованным, а после двух отражений имеет круговую поляризацию.


Путь к файлам Библиотеки приложений, использующихся в учебной модели Fresnel Rhomb (Ромб Френеля):
Ray_Optics_Module/Tutorials/fresnel_rhomb