Logiciel de simulation par lancer de rayons pour les systèmes optiques de grande dimension.

Un modèle de lentille de Petzval montrant les rayons pour trois angles de champs différents.

Analyse STOP

Les systèmes optiques peuvent être extrêmement sensibles aux changements d'environnement, notamment en haute altitude, dans l'espace, sous l'eau et dans les installations laser et nucléaires. De tels systèmes optiques sont soumis à des sollicitations mécaniques et à des températures extrêmes. La manière la plus précise de prendre complètement en compte ces effets environnementaux est la simulation numérique via une analyse STOP. Avec le logiciel COMSOL Multiphysics^®, les effets mécaniques, thermiques et optiques peuvent être combinés en un seul modèle, afin que la trajectoire des rayons soit prise en compte dans la géométrie déformée par dilatation thermique, tandis que les lois de comportement matériaux prédéfinies comprennent l'évolution de l'indice de réfraction en fonction de la température.

Le module Ray Optics peut également être combiné avec d'autres modules complémentaires qui étendent les capacités de simulation mécanique et thermique, par exemple pour prendre en compte le rayonnement thermique, le transfert de chaleur conjugué, les matériaux hyperélastiques et la piézoélectricité.

Les différents systèmes que le module Ray Optics permet de simuler

Effectuer des analyses optiques de lancer de rayons avec le logiciel COMSOL^®.

Une vue rapprochée d'un modèle de lentille double Gauss montrant les trajectoires des rayons et l'indice de réfraction pour la raie d du sodium.

Lentilles

Analyser les aberrations monochromatiques d'un système optique.

Une vue rapprochée d'un modèle de caméra compacte montrant les trajectoires des rayons.

Caméras

Concevoir des modules de caméra avec plusieures surfaces asphériques.

Une vue rapprochée d'un modèle de cavité laser en arrangement noeud papillon montrant la trajectoire des rayons.

Cavités laser

Prédire la stabilité des cavités laser grâce aux capacités du lancer de rayons.

Une vue rapprochée d'un système de focalisation de faisceau laser avec la trajectoire des rayons.

Systèmes de focalisation laser

Tracer la propagation des rayons pour les systèmes de focalisation laser à haute puissance.

Une vue rapprochée d'un modèle de losange de Fresnel montrant la propagation des rayons.

Prismes et Revêtements

Simuler la polarisation de la lumière à l'aide d'un formalisme prédéfini de Stokes–Mueller.

Une vue rapprochée d'un modèle de téléscope newtonien montrant la déformation et la trajectoire des rayons.

Téléscopes

Analyser le rayonnement lumineux à travers les différents systèmes de télescopes.

Une vue rapprochée d'un modèle d'hôtel montrant les surfaces caustiques au sol.

Rayonnement solaire

Analyser la réflexion du rayonnement et les concentrateurs ou récepteurs solaires.

Une vue rapprochée d'un modèle de monochromateur montrant le diagramme de rayons.

Spectromètres et monochromateurs

Décomposer la lumière polychromatique à l'aide de réseaux ou de milieux dispersifs.

Une vue rapprochée d'un modèle d'interféromètre avec la propagation des rayons.

Interféromètres

Simuler l'interaction du rayonnement avec des surfaces en translation et en rotation.

Une vue rapprochée d'un modèle de lentille de microlithographie montrant la propagation des rayons.

Lithographie UV

Concentrer le rayonnement ultraviolet dans une zone de grandeur submicronique, sur un substrat de silicium.

Caractéristiques et fonctionnalités du module Ray Optics

Le module Ray Optics utilise une approche par tracé de rayons pour simuler la propagation de la lumière et le rayonnement électromagnétique.

Optique géométrique

L'optique géométrique peut être utilisée pour simuler la propagation des ondes électromagnétiques dans des structures optiques de grande dimension. L'interface Optique géométrique intègre une gestion prédéfinie de l'intensité et de la polarisation des rayons. Le calcul de l'intensité utilise une forme de calcul de Stokes–Mueller qui permet de suivre aisément les rayons entièrement polarisés, non polarisés et partiellement polarisés.

Un algorithme flexible de tracé de rayons permet aux rayons de se propager dans des milieux homogènes ou à gradient d'indice (GRIN). Ils peuvent également être monochromatiques ou polychromatiques, cas dans lesquels il est possible de spécifier une distribution de longueurs d'onde ou un ensemble de valeurs discrètes.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Pièce chargée en surbrillance et la fenêtre de réglages correspondante.

Pièces géométriques de lentilles et miroirs

Le module Ray Optics comprend une bibliothèque des pièces géométriques essentielles, telles que des miroirs, des lentilles, des prismes et des diaphragmes. Chacune de ces pièces est entièrement paramétrée, et beaucoup d'entre elles comprennent des variantes de différentes combinaisons de paramètres d'entrée, de sorte qu'elles peuvent être aisément modifiées pour s'adapter à une conception de système optique.

Par exemple, les utilisateurs peuvent insérer un miroir sphérique ou cônique dans la séquence géométrique; choisir une surface concave ou convexe; entrer son rayon de courbure; puis spécifier le diamètre interne, le diamètre total et le diamètre de surface plate (si besoin). Ces entrées peuvent être ajustées manuellement ou en lançant une étude de type Analyse paramètrique. Ces pièces peuvent par ailleurs être orientées par rapport aux pièces précédemment insérées à l'aide de plans de travail prédéfinis, et il est possible de générer automatiquement des sélections nommées afin de définir aisément les conditions limites aux surfaces correspondantes.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Réseau en surbrillance et un spectrographe dans la fenêtre graphique.

Fonctionnalités polyvalentes et intuitives

Les rayons détectent automatiquement les frontières géométriques sur leur trajectoire sans qu'il soit nécessaire de spécifier l'ordre des interactions rayon–surface. Lorsqu'un rayon atteint une surface, il peut être réfléchi, réfracté ou absorbé de manière diffuse ou spéculaire. Il est également possible de définir des interactions conditionnelles avec les frontières ou choisir aléatoirement entre deux types d'interactions de frontière différentes avec une probabilité donnée.

Pour les interfaces entre milieux diélectriques, chaque rayon incident est décomposé de manière déterminée en rayons réfléchis et réfractés. La réflexion interne totale est également détectée automatiquement. Si l'intensité du rayonnement est calculée, elle est automatiquement mise à jour pour les rayons réfléchis et réfractés, conformément aux équations de Fresnel. De fines couches diélectriques peuvent également être définies au niveau des discontinuités du matériau, qui peuvent être utilisées comme filtres, revêtements antireflets ou miroirs diélectriques.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Surface éclairée en surbrillance et deux modèles de réflecteurs dans la fenêtre graphique.

Mécanismes d'émission des rayons

Les rayons peuvent être initialisés en saisissant directement leurs coordonnées, en important celles-ci à partir d'un fichier texte ou en émettant les rayons à partir d'entités géométriques sélectionnées. Ces rayons peuvent être émis à partir de n'importe quelle sélection de domaines, de frontières, d'arêtes ou de points dans la géométrie. Il existe également des fonctionnalités dédiées au rayonnement solaire à un endroit précis de la surface de la Terre ou à l'émission de rayons réfléchis ou réfractés à partir d'une frontière éclairée.

Lors du calcul de l'intensité du rayonnement, celui-ci peut être initialisé soit en utilisant une expression, soit en important un fichier de données photométriques (typiquement un fichier IES) dans le modèle. D'autres fonctionnalités d'émission prédéfinies sont disponibles pour simuler un rayonnement de corps noir et la propagation d'un faisceau gaussien.

Pour chaque point d'émission, les rayons peuvent être émis dans une direction spécifiée par l'utilisateur, ou plusieurs directions différentes peuvent être échantillonnées à partir d'une distribution sphérique, hémisphérique, conique ou lambertienne.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Source de chaleur optique en surbrillance et deux lentilles dans la fenêtre graphique.

Chauffage par rayonnement

L'interface Chauffage par rayonnement optique est utilisée pour simuler la propagation des ondes électromagnétiques dans des systèmes optiques de grande dimension pour lesquels le rayonnement et la distribution de la température sont couplés de manière bidirectionnelle. L'énergie dissipée en raison de l'atténuation du rayonnement dans un milieu absorbant crée une source de chaleur qui est prise en compte pour le calcul de la température.

Une vue rapprochée de la fenêtre de réglages du noeud Propriétés du milieu et d'un modèle de lentille double Gauss dans la fenêtre graphique.

Modèles de dispersion optique et thermo-optique

L'indice de réfraction de chaque milieu peut être spécifié directement ou évalué à partir d'une relation de dispersion optique. Les coefficients de dispersion, tels que les coefficients de Sellmeier, peuvent être déterminés à partir d'une base de données de matériaux ou saisis directement pour un matériau défini par l'utilisateur. L'indice de réfraction peut être complexe, la partie réelle déterminant la vitesse de la lumière dans le milieu et la partie imaginaire déterminant l'atténuation ou l'amplification du rayonnement.

Des coefficients de dispersion thermo-optique sont également disponibles pour ajuster l'indice de réfraction en fonction de la température. Il existe également un modèle de dispersion de Sellmeier qui combine la dépendance de la température et de la longueur d'onde en un seul ensemble de coefficients de Sellmeier, ce qui est particulièrement utile pour les matériaux cryogéniques.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Matériaux en surbrillance et un modèle de lentille Petzval dans la fenêtre graphique.

Bibliothèque de matériaux optiques

La bibliothèque de matériaux optiques contient des données pour les verres issus de SCHOTT AG, CDGM Glass Company Ltd., Ohara Corporation et Corning Inc., ainsi que des données pour divers gaz, métaux et polymères. Pour la plupart de ces verres optiques, l'indice de réfraction est exprimé en fonction de la longueur d'onde via un ensemble de coefficients de dispersion optique.

Outre l'indice de réfraction, de nombreux verres de la bibliothèque de matériaux optiques disposent également des propriétés mécaniques et thermiques telles que la densité, le module d'Young, le coefficient de Poisson, le coefficient de dilatation thermique linéaire, la conductivité thermique et la capacité thermique spécifique. L'inclusion de ces propriétés mécaniques et thermiques facilite l'analyse couplée de type STOP. La transmittance interne du verre est également évaluée en fonction de la longueur d'onde, de sorte que l'atténuation de la lumière dans le milieu peut également être prédite.

Une vue rapprochée d'un diagramme SPOT et d'un diagramme d'aberration optique dans deux fenêtres Graphiques.

Visualisation des performances optiques

Avec les outils d'exploitation de résultats de COMSOL Multiphysics^®, les utilisateus peuvent représenter des résultats de simulation à la fois informatifs et agréables visuellement. Les rayons peuvent être tracés sous forme de lignes, de tubes, de points et de vecteurs en 2D ou 3D, et leur couleur peut être paramétrée par une expression arbitraire qui peut varier entre chacun des rayons et même le long de leurs trajctoires. Lorsque l'intensité du rayonnement est calculée, il est également possible de représenter des ellipses de polarisation le long de ces rayons.

En plus de pouvoir représenter les trajectoires des rayons, le logiciel COMSOL Multiphysics^® propose également d'autres graphiques prédéfinis pour visualiser les franges d'interférence et les termes d'aberrations monochromatiques en décomposant la différence de chemin optique. Les points d'intersection des rayons avec un plan, une sphère, une hémisphère ou une surface plus spécifique peuvent également être représentés.

Vdara est une marque déposée de CityCenter Land, LLC.

Module Ray Optics

Analyse STOP