COMSOL® 製品概要

光線光学モジュール

Simulate Ray Tracing in Optically Large Systems with the Ray Optics Module

光線光学モジュール

このチュートリアルモデルでは、ニュートン式望遠鏡システムを通過する非編光の光線の追跡方法を紹介します。進入する光は放物面鏡で二次平面鏡に反射され、ここで光は焦点面に反射します。このタイプの望遠鏡をニュートンが発明したのは 1668 年であり、その組み立てコストの経済性から現代でも製造されています。

光線軌道の有効で用途の広い計算

光線光学モジュールは、システム内の電磁波伝搬のモデル化に使用できます。波長は、モデル内で最も小さな幾何学的詳細情報よりもはるかに小さいサイズです。電磁波は、均一媒質または傾斜媒質で伝播できる光線として処理されます。波長を有限要素メッシュで分解する必要がないため、光線の軌道は、長い距離でも経済的な計算コストで計算できます。光線は、異なる媒質同士の境界では反射し、屈折します。

セットアップの簡単な光線光学モデル

光線光学モジュールには、鏡面反射と乱反射の組み合わせなど、さまざまな境界条件があります。光線は、領域内から、境界から、あるいは点の一様格子で放出できます。特殊な放出機能も、太陽の放射や、被照面からの反射光線や屈折光線の放出に利用できます。専用の後処理ツールでは、光線軌跡を解析し、さまざまな光線で式を評価し、干渉縞を視覚化するさまざまな方法を利用できます。


事例紹介

Czerny-Turner モノクロメータは、多色光を空間的に分離して一連の単色光にします。このモデルは、交差 Czerny-Turner 構成をシミュレートして、球状コリメートミラー、平面解析格子、球状画像化ミラー、アレイ電荷結合素子 (CCD) ディテクタをシミュレートします。モデルは、幾何学的オプションインタフェースで検出面における入射光の位置を計算します。これから、装置の分解能を得ます。 Czerny-Turner モノクロメータは、多色光を空間的に分離して一連の単色光にします。このモデルは、交差 Czerny-Turner 構成をシミュレートして、球状コリメートミラー、平面解析格子、球状画像化ミラー、アレイ電荷結合素子 (CCD) ディテクタをシミュレートします。モデルは、幾何学的オプションインタフェースで検出面における入射光の位置を計算します。これから、装置の分解能を得ます。
透過された放射の強度や偏光を、偏光子や波形リターダーなど光学装置を組み合わせて制御できます。このモデルでは、直交軸と透過軸という 2 本の直線偏光子で、光線強度をゼロまで減衰させます。次に、4 分の 1 波長または 2 分の 1 波長の波長板を 2 台の偏光子の間に置いて、透過光の強度と偏光を解析します。 透過された放射の強度や偏光を、偏光子や波形リターダーなど光学装置を組み合わせて制御できます。このモデルでは、直交軸と透過軸という 2 本の直線偏光子で、光線強度をゼロまで減衰させます。次に、4 分の 1 波長または 2 分の 1 波長の波長板を 2 台の偏光子の間に置いて、透過光の強度と偏光を解析します。
放物面アンテナはソーラーエネルギーがターゲット (レシーバー) に集中して、非常に高温の局所的熱流束ができることがあります。これで蒸気を生み出すことができ、発電機の動力として利用でき、水素を生成すれば、直接燃料源になります。このモデルでは、半径位置の関数としてレシーバーに届いた熱流束を計算して、公表値と比較します。太陽の有限の大きさ、周辺減光、表面粗さの補正を考慮します。 放物面アンテナはソーラーエネルギーがターゲット (レシーバー) に集中して、非常に高温の局所的熱流束ができることがあります。これで蒸気を生み出すことができ、発電機の動力として利用でき、水素を生成すれば、直接燃料源になります。このモデルでは、半径位置の関数としてレシーバーに届いた熱流束を計算して、公表値と比較します。太陽の有限の大きさ、周辺減光、表面粗さの補正を考慮します。

光線光学におけるマルチフィジックスアプリケーション

応力、温度変化、その他物理的パラメーターは、領域のジオメトリの変形や、領域内の屈折率の変化として光線軌道に影響を与えることがめずらしくありません。同じく、強力な光線は、温度場に影響する大きな熱源となり、著しい熱応力を生じることがあります。光線光学モジュールでは、マルチフィジックス用途などのシミュレーションに全面的に対応できます。

領域と境界に関するアキュムレーター機能は、対応する領域や境界のメッシュ要素内の光線に関する情報を保存する従属変数の作成に使用できます。領域における光線減衰、あるいは境界における光線吸収によって蓄積された光線力を計算するこれらの機能の特殊バージョンも利用できます。これらのアキュムレーター機能を使用すると、光線の軌道と他のフィジックスインタフェースで作成した従属変数間の単方向性または双方向性の連成をセットアップできます。この機能では、たとえば熱レンズ効果の自己無撞着モデルを作成できます。

光線解析用の専用後処理機能

光線の軌道プロットでは光線を可視化できます。結果にカラー式や変形を追加できます。たとえば、偏光した光を変形させて、瞬間的な電場振幅を可視化させるなどの用途があります。光線プロットでは、すべての光線について光線特性を時間に対してプロットできます。あるいは 2 つの光線特性を特定の設定時間ステップでプロットできます。干渉縞プロットでは、切断面を交差する偏光の干渉を観察できます。その他の後処理ツールには、数値データ、光線軌道と平面の交差を観察するポアンカレマップ(スポット図)、すべての光線について位相空間内の点として 2 つの変数を互いにプロットする相図を生成するための光線評価機能があります。

光線の強度、偏光、その他を解析する組み込みツール

光線光学モジュールには、光線伝播に特化した幾何光学インターフェースがあります。幾何光学インターフェースにはオプションの変数があり、ストークスパラメーターによる光線強度計算、偏光、部分偏光、非偏光のモデル化が可能です。偏光は、線形偏光子や波長板などのよく使われる光学素子の境界条件を利用して境界で変更できます。強度計算では、波面を光線から計算し、主曲率半径を計算するので、火面を簡単に視覚化できます。媒質間の境界では、反射係数と透過係数をフレネル方程式で計算しますが、誘電体薄膜の有無によってはそれを修正するオプションがあります。干渉計のように瞬時電界が重要な場合は、位相変数を有効にできます。光路長計算の計算を有効にすると、光線の周波数分布が得られ、吸収媒質における光線の軌道の精度が向上します。

専用のソルバー設定による便利なソルバーセットアップ

光線軌道は時間領域で計算されますが、時間ステップのリストを必ずしも指定する必要はありません。光線追跡スタディステップを使って、計算したい光路長の範囲を直接指定して光線軌道を計算することができます。もし、全ての光線が解析領域の外に出てしまった場合や、残りの光線が無視できるほど小さい強度の場合、組込みの停止条件を使って計算を終了することができるので、スタディを効率よくつくることができます。それによりソルバーが不要な時間ステップを使うことを避けることができます。

光線光学モジュール

機能

  • 吸収媒体
  • 領域や境界上の累積変数
  • 1/4波長板
  • 強力吸収媒体の補正
  • 領域や境界に蓄積した光線パワー
  • 誘電体膜
  • 回析格子
  • 拡散面散乱
  • 周波数分布
  • 理想的偏光板
  • 均質媒体における強度計算
  • 直線偏光子
  • 線形波波長板
  • ミューラー行列
  • 光路長変数
  • 光線ステータスデータを保存するオプション
  • 位相計算
  • 相図
  • ポアンカレ写像 (スポットダイアグラム)
  • 偏光、非偏光、部分偏光
  • 曲率計算の波面基本半径
  • 勾配媒質または均質媒質における光線追跡
  • 光路長にもとづいた光線追跡スタディステップ
  • 光線軌道と光線プロット
  • 材料の不連続部分での反射と屈折
  • 領域、境界、または点格子から光線を放出
  • 鏡面反射
  • ストークスパラメーターの計算

用途

  • 建築物物理学と科学
  • カメラ
  • コーティング
  • 画像化
  • 干渉計
  • レーザー
  • レンズ系
  • 光学構成要素
  • モノクロメータ
  • 光加熱
  • 太陽エネルギー発電
  • スペクトロメータ

Thermally Induced Focal Shift

Diffraction Grating

Czerny-Turner Monochromator

Distributed Bragg Reflector Filter

Luneburg Lens

Anti-reflective Coating, Multilayer

Distributed Bragg Reflector

Solar Dish Receiver

Vdara® Caustic Surface

Corner Cube Retroreflector

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