光線光学モジュール

光学的に大規模なシステムでレイトレーシングをシミュレートする

光線光学モジュールは, COMSOL Multiphysics® ソフトウェアのアドオンであり, 光線追跡アプローチを使用して電磁波の伝播をモデル化できます. 伝播する波は, 反射, 屈折, または吸収できる光線として扱われます. この電磁放射の処理では, ジオメトリが波長に比べて大きい場合に適した近似を使用します.

光線光学モジュールをCOMSOL 製品スイートの他のモジュールと組み合わせると, 温度勾配や変形した形状での光線追跡が可能になり, 単一のシミュレーション環境内で忠実度の高い構造‐熱‐光学性能 (STOP) 解析が可能になります.

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赤, 緑, 青の光線図を示す分光器モデル.

STOP 解析

光学系は, 高高度, 宇宙, 水中, レーザー施設や原子力施設など, 環境の変化に対して非常に敏感な場合があります. このような光学系は, 構造的な負荷や極端な温度変化にさらされています. これらの環境影響を完全に把握するためには, STOP 解析による数値シミュレーションが最も正確な方法です. COMSOL Multiphysics® ソフトウェアを使用すると, 構造, 熱, および光学的効果を 1つのモデルで組み合わせることができ, 熱応力による変形形状で光線をトレースしながら, 内蔵の材料モデルで屈折率の温度依存性を考慮することが可能です.

また, 光線光学モジュールを, 拡張された構造および熱モデリング機能を提供する他のアドオンモジュールと組み合わせて, たとえば, 熱放射, 共役熱伝達, 超弾性材料, および圧電性を考慮することもできます.

光線光学モジュールでモデル化できるもの

COMSOL® ソフトウェアを使用して光線追跡解析を実行します.

光線の軌跡と d 線の屈折率を示すダブルガウスレンズモデルのクローズアップ図.

レンズ

光学システムの単色収差を解析.

光線の軌跡を示すコンパクトカメラモデルのクローズアップ図.

カメラ

複数の非球面を持つカメラモジュールを設計.

光線の軌道を示す蝶ネクタイレーザーキャビティモデルのクローズアップ図.

レーザーキャビティ

レイトレーシング機能でレーザーの安定性を予測.

光線軌道を備えたレーザー集束システムのクローズアップ図.

レーザーフォーカシングシステム

高出力レーザー集束システムを介して光線を追跡.

光線の伝播を示すフレネル菱面体モデルのクローズアップ図.

プリズムとコーティング

組み込みの Stokes-Mueller 形式を使用して, 光の偏光を操作.

変形と光線の軌道を示すニュートン式望遠鏡モデルのクローズアップ図.

望遠鏡

さまざまな望遠鏡システムを通して光線を解析.

地面の苛性アルカリ表面を示すホテルモデルのクローズアップ図.

日射

反射光線とソーラーディッシュコンセントレーター/レシーバーシステムを解析.

光線図を示すモノクロメータモデルのクローズアップ図.

分光計とモノクロメーター

グレーティングまたは分散媒体を使用して多色光を分離.

伝播光線を伴う干渉計モデルのクローズアップ図.

干渉計

平行移動および回転するサーフェスとの光線の相互作用をモデル化.

伝播する光線を示すマイクロリソグラフィーレンズモデルのクローズアップ図.

UVリソグラフィー

紫外線をシリコン基板上のサブミクロンスポットに集束.

光線光学モジュールの特徴と機能

光線光学モジュールは, 光線追跡アプローチを使用して, 光の伝播と電磁放射をモデル化.

幾何光学ノードが強調表示され, グラフィックウィンドウにダブルガウスレンズが表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

幾何光学

幾何光学を使用して, 光学的に大きな構造物の電磁波伝搬をモデル化できます. 幾何光学インターフェースには, 光線強度と偏光の処理が組み込まれています. 強度計算では, 完全に偏光された光線, 偏光されていない光線, および部分的に偏光された光線を簡単に追跡できるストークス—ミュラー計算の形式を使用します.

柔軟なレイトレーシングアルゴリズムにより, 光線は同種およびグレーデッドインデックス (GRIN) メディアの両方を伝搬できます. また, 単色または多色にすることもできます. この場合, 波長の分布を指定したり, 離散値のセットを入力したりできます.

ロードされたパーツノードが強調表示され, 対応する設定ウィンドウが表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

レンズとミラーの形状

光線光学モジュールには, ミラー, レンズ, プリズム, 絞り絞りなどの重要なジオメトリパーツのライブラリが含まれています. これらの各パーツは完全にパラメータ化されており, それらの多くには入力パラメータのさまざまな組み合わせを持つバリアントが含まれているため, 光学設計に合わせて簡単に変更できます.

たとえば, 球面鏡または円錐鏡を等比数列に挿入できます. 表面が凹面か凸面かを指定します. その曲率半径を入力します. 次に, クリア直径, 全直径, およびフラットの直径(存在する場合)を指定します. これらの入力は, 手動で調整することも, パラメトリックスイープスタディを実行することによって調整することもできます. さらに, 組み込みの作業平面を使用して, 以前に挿入されたパーツに対してパーツを方向付けることができ, パーツは名前付き選択を自動的に作成して, 境界条件を正しいサーフェスに簡単に割り当てることができます.

グレーティングノードが強調表示され, グラフィックウィンドウにスペクトログラフが表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

汎用性と直感的な機能

光線は, 光線と境界の相互作用の順序を指定しなくても, パス内のジオメトリ境界を自動的に検出します. 光線が表面に到達すると, 拡散または鏡面反射, 屈折, または吸収される可能性があります. また, 条件付き境界相互作用を割り当てたり, 特定の確率で2つの異なる境界相互作用からランダムに選択したりすることもできます.

誘電体媒体間の境界で, 各入射光線は決定論的に反射光線と屈折光線に分割されます. 全反射も自動的に検出されます. 光線強度が解かれると, フレネルの式に従って反射光線と屈折光線が自動的に更新されます. 材料の不連続部に薄い誘電体層を定義することもできます. これは, フィルター, 反射防止コーティング, または誘電体ミラーとして使用できます.

グラフィックウィンドウにイルミネーションサーフェスノードが強調表示され, 2つのリフレクターモデルが表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

光線放出メカニズム

光線は, 座標を直接入力するか, テキストファイルから座標をインポートするか, 選択したジオメトリエンティティから光線を解放することで初期化できます. 光線は, ジオメトリ内のドメイン, 境界, エッジ, またはポイントの任意の選択から解放できます. 地球の表面の指定された場所で日射を生成したり, 照らされた境界から反射または屈折した光線を放出したりするための専用機能もあります.

光線強度を解く場合, 式を使用するか, 測光データファイル (具体的には IES ファイル) をモデルにロードすることにより, 光線強度を初期化できます. 黒体放射とガウスビーム伝搬をモデル化するために, 追加の事前定義された光線放出機能を利用できます.

各リリース位置で, 光線はユーザー指定の方向に発射できます. または, 球形, 半球形, 円錐形, またはランバート分布からさまざまな方向をサンプリングできます.

光線熱源ノードが強調表示され, グラフィックウィンドウに2つのレンズがあるモデルビルダーのクローズアップ図.

レイヒーティング

光線加熱インターフェースは, 光線と温度分布が双方向または双方向に結合されている光学的に大規模なシステムでの電磁波の伝播をモデル化するために使用されます. 吸収媒体での光線の減衰によって失われるエネルギーは, 温度計算に含まれる熱源を作成します.

中程度のプロパティノードの設定ウィンドウのクローズアップビューと, グラフィックスウィンドウのダブルガウスレンズモデル

光学, 熱光学分散モデル

各媒体の屈折率は, 直接指定することも, 光分散関係から導き出すこともできます. セルマイヤー係数などの分散係数は, 材料データベースからロードすることも, ユーザー定義の材料に直接入力することもできます. 屈折率は複雑になる可能性があり, 実数部が媒体内の光速を決定し, 虚数部が光線の減衰または利得を引き起こします.

温度に基づいて屈折率を調整するために, 熱光学分散係数も利用できます. 温度と波長の依存性を単一のセルマイヤー係数のセットに結合する温度依存のセルマイヤー分散モデルもあります. これは, 極低温材料に特に役立ちます.

マテリアルノードが強調表示され, グラフィックウィンドウにペッツバールレンズモデルが表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

光学材料ライブラリ

光学材料ライブラリには, SCHOTT AG, CDGM Glass Company Ltd., Ohara Corporation, および Corning Inc. のガラスのデータと, さまざまなガス, 金属, およびポリマーが含まれています. これらの光学ガラスのほとんどでは, 屈折率は一連の光分散係数を介して波長の関数として与えられます.

屈折率に加えて, 光学材料ライブラリの光学ガラスの多くは, 密度, ヤング率, ポアソン比, 線熱膨張係数, 熱伝導率, 比熱容量などの構造的および熱的特性も提供します. これらの構造的および熱的特性を含めることで, 結合されたSTOP 解析がさらに容易になります. ガラスの内部透過率も波長の関数として表にされているため, 媒体内の光の減衰も予測できます.

2つのグラフィックウィンドウでのスポットダイアグラムと収差ダイアグラムのクローズアップ図.

光学性能の可視化

COMSOL Multiphysics® 後処理ツールを使用すると, 視覚的に心地よいシミュレーション結果と有益なシミュレーション結果の両方を作成できます. 光線を2D または3D の線, チューブ, ポイント, およびベクトルとしてプロットし, さまざまな光線間, さらには各光線のパスに沿って変化する可能性のある任意の式で光線に色を付けることができます. 光線強度を解くときは, 光線に沿って偏光楕円をプロットすることもできます.

COMSOL Multiphysics® ソフトウェアは, 干渉縞を表示し, 光路差を個々の単色収差項に分解するための他の専用プロットとともに, 単なる光線経路以上のものを表示する柔軟性も提供します. 光線と平面, 球, 半球, またはより特殊なサーフェスとの交点をプロットすることもできます.

Vdara は, CityCenter Land, LLC の登録商標です.

どのビジネスもシミュレーションニーズもそれぞれ違います. COMSOL Multiphysics® ソフトウェアがお客様のご要望を満たすかどうかをきちんと評価するために, 我々にご連絡ください. 我々のセールス担当と話をすれば各個人に向いたお勧めや, しっかり文書化されたモデルなどをお送りすることができ, 最大限の評価結果を引き出すことができます. 最終的にどのライセンスオプションがあなたの要望にとって最適かを選択することができます.

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