模拟大型光学系统中的光线轨迹

“射线光学模块”是 COMSOL Multiphysics^® 软件的一个附加模块，主要使用光线追迹法，通过研究光线的反射、折射或吸收来分析电磁波的传播。这种电磁辐射处理方式采用近似方法，特别适用于几何结构远大于波长的情况。

将“射线光学模块”与 COMSOL 产品库中的其他模块结合使用，可以同时考虑光线穿过的几何结构中的温度梯度和变形，实现精确的结构-热-光学性能（STOP）分析。

STOP 分析

在高空、太空、水下环境、激光和核设施等复杂环境中运行的光学系统，可能受到结构载荷和极端温度的影响，对周围环境的变化非常敏感。在这种场景下，需要通过 STOP 分析来精确分析环境因素对光路的影响。COMSOL Multiphysics^® 软件支持在同一个模型中对结构、热和光学效应进行耦合分析，在热应力引起的变形几何中追踪光线。此外，内置的材料模型还可以考虑折射率随温度的变化。

将“射线光学模块”与其他附加产品耦合使用，还可以进一步考虑热辐射、共轭传热、超弹性材料，以及压电效应等因素，更深入地理解光学系统在复杂环境下的行为。

射线光学模块的主要分析对象

透镜

分析光学系统的单色像差。

穿过双高斯透镜的射线轨迹，按其光程长度进行着色。灰度表面图，其中显示每个透镜的 d 线折射率，浅色表示高折射率的玻璃。

激光腔

使用射线追踪功能预测激光的稳定性。

呈对称蝴蝶结型构型的激光腔的稳定性分析模型。稳定性准则与射线保持被反射镜限制的持续时间有关。本例对许多反射镜间距值运行参数化扫描。

棱镜和涂层

使用内置的 Stokes-Mueller 形式来操控光的偏振。

菲涅尔棱体中的射线传播。借助几何光学 接口，可以使用 Stokes-Mueller 形式来捕捉单条射线的强度和偏振状态。

太阳辐射

分析反射线和碟式太阳能聚光器/接收器系统。

当 Vdara® 酒店在美国拉斯维加斯刚刚开业时，酒店的反射曲面会使阳光在特定的时间聚焦在游泳池附近。（这个问题已经解决。）此模型演示如何将与泳池边缘相交的焦散面进行可视化。

干涉仪

模拟射线与平移和旋转表面的相互作用。

简单的萨格纳克干涉仪，由两个反射镜和一个分束器组成，它们排列成一个三角形。

相机

设计具有多个非球面的相机模组。

带有高度非球面透镜的微型相机模组的射线轨迹。射线按照其与像平面上质心的径向距离进行着色。

激光聚焦系统

追踪穿过高功率激光聚焦系统的光线。

3 kW 激光聚焦系统的 STOP 双向耦合分析模型中的射线轨迹和表面温度。

望远镜

分析穿过各种望远镜系统的光线。

牛顿望远镜在重力作用下倾斜 45 度时产生的结构变形。

光谱仪和单色器

使用光栅或色散介质分离多色光。

Czerny-Turner 单色器的射线图。下边界是衍射光栅，它将准直的多色光分开，使不同的颜色集中在不同的位置。

紫外光刻技术

将紫外线聚焦到硅基板上的亚微米点。

微光刻透镜系统的射线图，射线从左向右传播。

射线光学模块的主要功能

“射线光学模块”采用光线追迹法分析光路

几何光学

基于“几何光学”分析电磁波在大型光学结构中的传播。几何光学 接口包含射线强度和偏振的内置处理功能，采用 Stokes-Mueller 演算的形式进行强度计算，可以方便地跟踪完全偏振、非偏振和部分偏振的射线。

该物理场接口提供了灵活的射线追踪算法，可以追踪射线在均匀折射率和渐变折射率（GRIN）介质中的传播；可以通过指定波长分布或输入离散值来定义单色或多色射线。

几何光学 接口用于设置射线光学模型，其中提供的预定义设置可以进行相应的修改。“图形”窗口显示“双高斯透镜成像仿真”的结果，其中将导入的位图用作物镜。

透镜和反射镜几何库

“射线光学模块”提供了几何零件库，包含反射镜、透镜、棱镜和孔径光阑等全参数化的几何模型，许多零件还包含一系列具有不同输入参数组合的选项，方便用户修改参数，以满足光学设计需求。

例如，您可以在几何序列中加入球面镜或锥面镜，指定凹凸面，并输入曲率半径；然后指定平面镜（如果有）的孔径、外径和直径。这些参数可以在几何建模时手动调整，也可以在后续运行参数化扫描 研究时调整。不仅如此，您还可以使用内置工作平面，根据已有零件定位新导入的零件；软件可以为零件自动创建命名的选择，以方便您在后续操作中设定对应的边界条件。

本例使用“射线光学模块”零件库中的三个几何零件来构建微型相机模组透镜系统。“设置”窗口显示球面透镜（三维） 几何零件的尺寸。

直观易用的功能

射线可以在不指定射线-边界相互作用顺序的情况下自动检测其路径中的几何边界。当一束射线到达物体表面时，可以被漫反射、镜面反射、折射或吸收。用户可以根据特定条件设定边界间的相互作用，或根据给定概率在两个不同相互作用之间随机选择。

在电介质之间的边界上，软件会将每一束入射线明确地分成反射线和折射线，还会自动检测全内反射，并且在求解射线强度时，会根据菲涅尔方程自动更新反射线和折射线的强度。用户可以在材料不连续处定义薄介电层，用来表示滤波器、抗反射涂层或介质反射镜。这些功能可以在节省时间的同时提高仿真精度。

本例使用光栅 特征对白瞳阶梯光栅光谱仪进行建模。“设置”窗口显示定义不同光栅时的可编辑属性。

射线释放机制

用户可以选择通过直接输入射线坐标，从文本文件导入坐标，或者从选定的几何实体释放射线。几何结构中的任何域、边界、边或点选择中均可释放射线。不仅如此，“射线光学模块”还提供专门的功能，用于在地球表面的指定位置产生太阳辐射，或者从被照射的边界释放反射线或折射线。

考虑射线强度时，支持通过使用表达式或加载光度数据文件（ IES 文件）来描述光学初始强度；还提供了用于模拟黑体辐射和高斯光束传播的光线释放功能。

在每个释放位置，用户均可以指定其发射方向，除单一方向外，也可以根据球形、半球形、锥形或朗伯分布中的采样来确定多个发射方向。

本例使用两次受照面 特征来模拟具有理想反射镜和现实反射镜的碟式太阳能接收器。

射线加热

射线加热 接口用于模拟电磁波在大型光学系统中的传播，可以考虑光线与温度场直接的相互影响。吸收介质中的射线衰减而造成的能量损失，可以在温度计算中作为热源考虑。

射线热源 多物理场节点将几何光学 和固体传热 接口相耦合，在本模型中用于模拟热致焦移。结果显示透镜中的温度分布。

光学和热光色散模型

用户既可以直接指定每种介质的折射率，也可以基于光学色散关系推导得出。色散系数（如 Sellmeier 系数）可以从材料数据库加载，也可以在用户定义的材料中直接输入。折射率可以是复值，其中实部确定介质中的光速，虚部则引起光线在介质中的衰减或增益。

除此之外，热光色散系数还可用于根据温度调整折射率。本模块还提供温度相关的 Sellmeier 色散模型，将温度和波长的依赖关系组合成一组 Sellmeier 系数，这种方法尤其适用于低温材料的研究。

双高斯透镜系统中的射线传播。“设置”窗口显示介质属性 节点中的一些设置，用于为透镜指派光色散模型。

光学材料库

光学材料库包含来自肖特科技、成都光明光电股份有限公司、株式会社小原公司和康宁公司的玻璃数据，以及各种气体、金属和聚合物数据。对于其中大多数光学玻璃来说，折射率是通过一组光色散系数作为波长的函数提供。

除折射率以外，光学材料库中的许多光学玻璃还提供一系列有关材料的结构和热属性，比如密度、杨氏模量、泊松比、线性热膨胀系数、导热系数和比热容。通过考虑这些结构和热属性，用户可以更准确地预测材料的行为，进行 STOP 耦合分析。玻璃的内部透光率也以波长函数的形式在表格中列出，帮助用户预测光在介质中的衰减情况。

本例从右侧显示的“光学”材料库中加载光学玻璃，追踪 Petzval 透镜中三个不同视场角的射线，其中 d 线折射率显示为切面图。

光学性能可视化

COMSOL Multiphysics^® 的后处理工具可用于创建信息丰富、美观的仿真结果图。在二维或三维空间中，射线可以绘制成线、管、点和矢量，并通过任意表达式进行着色。这些表达式可以在不同的射线之间变化，甚至可以沿每条射线的路径变化。当同时考虑射线强度时，还可以沿射线绘制偏振椭圆，以更好地理解光学效应。

除此之外，COMSOL Multiphysics^® 软件还提供足够的灵活性，不仅可以显示射线路径，还可以生成其他专用绘图以查看干涉条纹，还能将光程差分解为单独的单色像差项。此外，还可以绘制射线与平面、球体、半球或更特殊表面的交点，以便更深入地了解射线的传播和反射行为。

牛顿望远镜的结构分析模型，适用于未变形和已变形的望远镜结构。结果包含三维射线轨迹和变形，以及像差图和点列图。