光線光学モジュールアップデート

COMSOL Multiphysics® バージョン5.3a の光線光学モジュールでは, 新しい光線出射分布と, よりフレキシブルな境界条件が加わりました. パーツライブラリにも新しいミラーとレンズの モデルが追加されました. 光線光学モジュールのアップデートの詳細は以下の通りです.

円筒およびヘキサポーラーグリッドベース出射

「グリッドから出射」機能を使って円筒グリッド, またはヘキサポーラーグリッドの点から光線を出射できるようになりました. 円筒分布の中心, 向き, 角度の数を指定することができます.

Three cylindrical grid-based distributions. 円筒グリッド分布ではグリッドポイントのリングから等間隔(左), 略等密度(中), ユーザー定義(右)で出射を指定することができます. 円筒グリッド分布ではグリッドポイントのリングから等間隔(左), 略等密度(中), ユーザー定義(右)で出射を指定することができます.
Three hexapolar grid-based distributions. ヘキサポーラーグリッド. 2, 5, 10 のリング点 . (左から右へ) ヘキサポーラーグリッド. 2, 5, 10 のリング点 . (左から右へ)

境界からの高速出射

境界からの均一な密度ベースの光線出射はバージョン5.3aで5.3と比べると大幅に高速になりました. 流入と照射面機能を使うモデルでこの高速化効果が得られます.

次のテーブルはアプリケーションライブラリのソーラーディッシュレシーバーモデルのパフォーマンスの比較です.

Number of Rays Solution Time(s), Version 5.3 Solution Time(s), Version 5.3a Speedup
1000 5 4 25%
2000 8 3 170%
5000 16 5 220%
10,000 41 6 7x
20,000 53 9 6x
50,000 130 19 7x
100,000 244 36 7x

CPU:Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2620 v2; クロック:2.10GHz; 6コア, 1ソケット; メモリ: 16.33GB

屈折における反射光線の出射制御

異なる媒質間の材料不連続での反射をどの面で計算するかを制御することができるようになりました. 屈折率の異なる界面では, デフォルトでは入射光線は常に屈折光と反射光に分かれます. 新しいオプションでは反射光線を生成しないか, または, 論理式を満たすような反射光線だけを出射することができます.

A demonstration of suppressing the release of reflected rays during refraction in COMSOL Multiphysics 5.3a. 材料不連続ノードの設定ウィンドウ. 論理式y>0.5を満たす反射光線だけが出射されています. 材料不連続ノードの設定ウィンドウ. 論理式y>0.5を満たす反射光線だけが出射されています.

境界での反射率と透過率のより簡単な指定方法

材料不連続機能の設定において, ユーザー定義の反射率, または, 透過率を設定することが簡単にできるようになりました. 界面での誘電体コーティングの物性を知る必要はありません. デフォルトでは反射率/透過率は数値で与えられていますが, 数式, または解析関数, 補間関数の入力も可能です.

回折格子の新しい設定オプション

バージョン 5.3a では回折格子の設定が大幅にフレキシブルになりました. 3Dで回折格子の向きを指定するには, 周期方向 (単位セルから次のセルまでの方向) か, 格子の線の方向を入力します. 従来は0次回折光は自動的に処理されていましたが, 今後は他の回折次数と同様, 回折次数サブノードで設定を行います. 回折格子ノードを加えると, デフォルトで回折次数サブノードが追加されます. この新機能により, 0次光がモデルにおいて重要ではない場合, それを省略することができるようになりました.

A screenshot of the Grating feature Settings window. 新しい「回折次数」サブノードの付いた「回折格子」機能の設定ウィンドウ. 新しい「回折次数」サブノードの付いた「回折格子」機能の設定ウィンドウ.

鏡面境界条件

専用の鏡面境界条件が導入されました. この境界条件は常に鏡面反射をする境界条件です.

A screenshot of the Mirror feature Settings window. 「鏡面」機能の設定ウィンドウ. 「鏡面」機能の設定ウィンドウ.

反射回数によるスタディの終了

自動で境界での反射光線を計測できるようになりました. 「反射を計測」チェックボックスを選択すると, 壁か材料不連続面での反射回数をビルトイン変数に保存できます. さらに,全光線で指定回数を超える反射が起きると自動でスタディを終了する標準オプションが光線追跡スタディステップに加わりました. このオプションにより, 不必要に多数の回数の反射が終了するまで待つ必要がなくなりました.

パーツライブラリ改善

4つの新しいパーツが光線光学モジュールのパーツライブラリに加わりました.

一般球面レンズ

一般球面レンズパーツを使うと2つのことなる曲率半径をそれぞれの面で定義できます. このレンズジオメトリは従来の両凸レンズや平凸レンズよりも一般的です. 各々のレンズ面にクリアアパーチャーを設けることもできます.

A screenshot showing the Spherical General Lens 3D in the Part Libraries. パーツライブラリの一般球面レンズ. パーツライブラリの一般球面レンズ.
An example of using the Spherical General Lens 3D part multiple times in a model. 複数の一般球面レンズ3Dを使って構成されたレンズ群の断面. 複数の一般球面レンズ3Dを使って構成されたレンズ群の断面.

円環

円環は平面リングで3Dジオメトリにアパーチャーストップとして挿入することができます. 例えば, 迷光を防ぐために, カメラや望遠鏡のレンズの周囲にそれらを入れることができます. 中心に穴のない円盤として使うこともできます.


An example of using the Circular Planar Annulus part in a model. 円形平面円環パーツインスタンスで定義されたアパーチャーを持つレンズの断面. 円形平面円環パーツインスタンスで定義されたアパーチャーを持つレンズの断面.

軸上コニックミラー

軸上コニックミラーは軸対称なミラーで, 曲率半径とコニック係数を使って定義します. 中心の穴の有無は任意です.


An example of using the General Conic Mirror On Axis 3D part in a model. 単純な2枚ミラー望遠鏡モデル. 軸上コニックミラーパーツを使って構成されています. 中心穴以外にも, 第1のミラーは前面エッジに円環を持ち, クリアアパーチャーが定義されています. 単純な2枚ミラー望遠鏡モデル. 軸上コニックミラーパーツを使って構成されています. 中心穴以外にも, 第1のミラーは前面エッジに円環を持ち, クリアアパーチャーが定義されています.

軸外コニックミラー

軸外コニックミラーは中心が対称軸からずれているミラーです. 軸上コニックミラーと同様, 曲率半径とコニック係数を指定して定義します. アプリケーションライブラリの白色瞳エシェル分光チュートリアルモデルでこのパーツが使われています.

新しいチュートリアルモデル:ダブルガウスレンズ

ダブルガウスレンズチュートリアルモデルは簡単な多レンズの対物レンズです. 個々のレンズは光線光学モジュールのパーツライブラリの標準パーツインスタンスで定義されています.

A plot from the Double Gauss Lens tutorial model, new with COMSOL Multiphysics version 5.3a. ダブルガウスレンズ. この断面プロットは軸上マージナル光線と, 4つのフィールド角における主光線を示します. ダブルガウスレンズ. この断面プロットは軸上マージナル光線と, 4つのフィールド角における主光線を示します.
Results from the Double Gauss Lens (Parametric Sweep) tutorial model, new with COMSOL Multiphysics version 5.3a. 複数の波長とフィールド角におけるダブルガウスレンズを通る光線. 複数の波長とフィールド角におけるダブルガウスレンズを通る光線.

アプリケーションライブラリパス:
Ray_Optics_Module/Lenses_Cameras_and_Telescopes/double_gauss_lens Ray_Optics_Module/Lenses_Cameras_and_Telescopes/double_gauss_lens_parametric

新しいチュートリアルモデル:ペッツバルレンズ

アプリケーションライブラリに新しく加わったこのペッツバルレンズチュートリアルは, ダブルガウスレンズチュートリアルと同様に, マルチパーツインスタンスを用いてレンズ系をポストプロセスする方法を示します. 多くの場合, ペッツバルレンズのようなレンズをより大きな系に含めたいと思うことがあるでしょう. 次の新しいチュートリアルモデル, 白色瞳エシェル分光, にそれが示されています.

A plot from the Petzval Lens tutorial model, new with COMSOL Multiphysics version 5.3a. ペッツバルレンズ. この断面プロットはマージナル光線と, 5つのフィールド角における主光線を示します. ペッツバルレンズ. この断面プロットはマージナル光線と, 5つのフィールド角における主光線を示します.

アプリケーションライブラリパス:
Ray_Optics_Module/Lenses_Cameras_and_Telescopes/petzval_lens

白色瞳エシェル分光

このチュートリアルでは複雑で完全にパラメーター化されたジオメトリの構築を紹介します. 光線光学モジュールの標準パーツライブラリから新しい軸外コニックミラーパーツを使っています. アプリケーションライブラリのペッツバルレンズのジオメトリを若干修正したモデルを含みます. 2つのエシェル回折格子とクロス分散器で異なる波長とエシェル次数の2Dアレイスポットが形成されます.

The white pupil échelle spectrograph with an expanded view of the Petzval lens system. 白色瞳エシェル分光. 真空中の波長で光線が色分けされています. 右図はペッツバルレンズ系の拡大図で, 各波長の軸方向光線だけが選択されています. 白色瞳エシェル分光. 真空中の波長で光線が色分けされています. 右図はペッツバルレンズ系の拡大図で, 各波長の軸方向光線だけが選択されています.


アプリケーションライブラリパス:
Ray_Optics_Module/Spectrometers_and_Monochromators/white_pupil_echelle_spectrograph