Ray Optics Module

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

Ray Optics Module

Este modelo de tutorial muestra como trazar rayos de luz no polarizada a través de un sistema de telescopio newtoniano. La luz entrante se refleja en un espejo parabólico hacia un espejo plano secundario, que refleja la luz hacia el plano focal. Este tipo de telescopio fue inventado por Newton en 1668 y sigue fabricándose actualmente debido al bajo coste de montaje.

Cálculo eficaz y versátil de las trayectorias de los rayos de luz

El módulo Ray Optics se puede utilizar para modelar la propagación de las ondas electromagnéticas en sistemas en los que la longitud de onda es mucho menor que el detalle geométrico más pequeño del modelo. Las ondas electromagnéticas se tratan como si fueran rayos que pueden propagarse a través de medios homogéneos o estratificados. Dado que no es necesario resolver la longitud de onda con una malla de elementos finitos, las trayectorias de los rayos se pueden calcular a lo largo de distancias largas, con un coste computacional bajo. Los rayos también pueden sufrir reflexión y refracción en los límites entre los diversos medios.

Configuración sencilla de modelos de óptica de rayos

El módulo Ray Optics contiene diversas condiciones de contorno, que incluyen combinaciones de reflexiones especulares y difusas. Los rayos se liberan desde el interior de los dominios, desde los contornos o en una cuadrícula uniforme de puntos. Están también disponibles funciones de liberación especializadas para modelar la radiación solar y para liberar rayos reflejados o refractados desde una superficie iluminada. Las herramientas de posprocesamiento específicas ofrecen muchas maneras de analizar las trayectorias de los rayos, evaluar las expresiones en numerosos rayos e incluso visualizar patrones de interferencias.


Additional Images:

Un monocromador de Czerny-Turner separa espacialmente la luz policromática en una serie de rayos monocromáticos. Este modelo simula una configuración cruzada de Czerny-Turner que consta de un espejo esférico de colimado, una rejilla de difracción planar, un espejo esférico de imagen y un detector de dispositivos de carga acoplada (CCD) de matriz. El modelo utiliza la interfaz de óptica geométrica para calcular las posiciones de los rayos incidentes en el plano detector y, a partir de ellas, se puede derivar la resolución del dispositivo. Un monocromador de Czerny-Turner separa espacialmente la luz policromática en una serie de rayos monocromáticos. Este modelo simula una configuración cruzada de Czerny-Turner que consta de un espejo esférico de colimado, una rejilla de difracción planar, un espejo esférico de imagen y un detector de dispositivos de carga acoplada (CCD) de matriz. El modelo utiliza la interfaz de óptica geométrica para calcular las posiciones de los rayos incidentes en el plano detector y, a partir de ellas, se puede derivar la resolución del dispositivo.
Las combinaciones de dispositivos ópticos tales como polarizadores y retardadores de onda se pueden utilizar para controlar la intensidad y la polarización de la radiación transmitida. En este modelo, se utilizan dos polarizadores lineales con ejes de transmisión ortogonales para reducir a cero la intensidad de un rayo. Después, se analizan la intensidad y la polarización del rayo transmitido cuando se coloca un retardador de cuarto de onda o de media onda entre ambos polarizadores. Las combinaciones de dispositivos ópticos tales como polarizadores y retardadores de onda se pueden utilizar para controlar la intensidad y la polarización de la radiación transmitida. En este modelo, se utilizan dos polarizadores lineales con ejes de transmisión ortogonales para reducir a cero la intensidad de un rayo. Después, se analizan la intensidad y la polarización del rayo transmitido cuando se coloca un retardador de cuarto de onda o de media onda entre ambos polarizadores.
Una antena parabólica puede concentrar energía solar sobre una diana (el receptor) y, como resultado, se obtienen flujos térmicos locales muy altos. Esto puede utilizarse para generar vapor (que puede alimentar un generador) o hidrógeno (que se puede utilizar directamente como fuente de combustible). En este modelo, el flujo de calor que llega al receptor como una función de la posición radial, se calcula y se compara con los valores publicados. Se tiene en cuenta las correcciones debidas al tamaño finito del sol, al oscurecimiento de los bordes y a la aspereza de la superficie del plato. Una antena parabólica puede concentrar energía solar sobre una diana (el receptor) y, como resultado, se obtienen flujos térmicos locales muy altos. Esto puede utilizarse para generar vapor (que puede alimentar un generador) o hidrógeno (que se puede utilizar directamente como fuente de combustible). En este modelo, el flujo de calor que llega al receptor como una función de la posición radial, se calcula y se compara con los valores publicados. Se tiene en cuenta las correcciones debidas al tamaño finito del sol, al oscurecimiento de los bordes y a la aspereza de la superficie del plato.

Aplicaciones de propiedades físicas múltiples en óptica de rayos

A menudo los esfuerzos, los cambios de temperatura y otros parámetros físicos pueden afectar a las trayectorias de los rayos, ya sea deformando la geometría del dominio o afectando a los índices refractivos dentro de los dominios. Igualmente, los rayos de alta potencia pueden generar fuentes de calor significativas que afectan al campo de temperatura y que pueden causar notables tensiones térmicas. El módulo Ray Optics es plenamente capaz de simular estas aplicaciones de propiedades físicas múltiples.

Las funciones de acumulación en los dominios y contornos se pueden utilizar para crear variables dependientes que almacenan información acerca de los rayos en el dominio correspondiente o en los elementos de malla de contorno. También tiene a su disposición versiones especializadas de estas funciones para calcular la potencia de los rayos depositada en los dominios, debido a la atenuación de los rayos, o en los contornos, debido a la absorción de rayos. Utilizando estas funciones de acumulación, es posible establecer conexiones unidireccionales o bidireccionales entre las trayectorias de los rayos y las variables dependientes creadas por otras interfaces de propiedades físicas. Esto se puede utilizar, por ejemplo, para crear modelos uniformes de los efectos de lente térmica.

Funciones de posprocesamiento específicas para analizar rayos

Puede visualizar rayos utilizando el diagrama de trayectorias de rayo, al que se le puede añadir una expresión de color o una deformación. Esto se puede utilizar, por ejemplo, para deformar los rayos polarizados a fin de visualizar la amplitud del campo eléctrico instantáneo. El diagrama de rayos permite representar una propiedad del rayo frente al tiempo para todos los rayos, o comparar dos propiedades de rayo entre sí en un conjunto específico de pasos temporales. Con el diagrama de patrones de interferencia, puede observar la interferencia de los rayos polarizados que se cruzan en un plano de corte. Otras herramientas de posprocesamiento son la función de evaluación de rayos para generar tablas de datos numéricos, el mapa de Poincaré (diagrama de puntos) para observar el cruce (la intersección) de trayectorias de rayos con un plano, y el retrato de fase para representar comparativamente dos variables, como puntos del espacio de fase, correspondientes a la totalidad de los rayos.

Herramientas integradas para analizar la intensidad de los rayos, su polarización, y mucho más

El módulo Ray Optics ofrece una interfaz especializada integrada para modelar la propagación de los rayos, conocida como interfaz de propiedades físicas de óptica geométrica. La interfaz de óptica geométrica incluye variables opcionales para computar la intensidad de los rayos usando los parámetros de Stokes, lo que se permite el modelado de radiación polarizada, parcialmente coherente o no polarizada. La polarización puede cambiarse en los contornos utilizando condiciones de contorno para componentes ópticos comunes, tales como polarizadores lineales y retardadores de onda. Cuando se calcula la intensidad, los rayos se tratan como frentes de onda para los que se calculan los radios principales de curvatura, lo que permite visualizar fácilmente superficies cáusticas. En los límites entre los medios, los coeficientes de reflexión y de transmisión se calculan utilizando las ecuaciones de Fresnel, con la opción de aplicar correcciones basadas en la presencia de películas dieléctricas finas. Cuando resulta interesante el campo eléctrico instantáneo, como en el caso de los interferómetros, se puede activar una variable para la fase. Se pueden utilizar otras configuraciones de interfaz de propiedades físicas, que permiten calcular la longitud de la trayectoria óptica, así como proyectar rayos con una distribución de frecuencias y mejorar la precisión de las trayectorias de los rayos en medios absorbentes.

Práctica configuración del solucionador mediante valores funciones de configuración diseñadas a medida

Aunque las trayectorias de los rayos se calculan en el dominio de tiempo, no siempre resulta necesario especificar una lista de los pasos en el tiempo. El paso de estudio del trazado de rayos se puede utilizar para resolver las trayectorias de los rayos especificando directamente el intervalo deseado de longitudes de trayectorias ópticas. Puede convertirse el estudio en más eficiente utilizando condiciones de parada integradas que detienen el solucionador dependiente del tiempo si todos los rayos han salido del dominio de modelado o si los rayos restantes tienen una intensidad tan baja que resulta despreciable, a fin de evitar que el solucionador tome pasos en el tiempo que sean innecesarios.

Ray Optics Module

Product Features

  • Medios absorbentes * Variables acumuladas en dominios y contornos * Retardadores de onda circulares * Correcciones para medios muy absorbentes * Potencia de rayos depositada en dominios o contornos * Películas dieléctricas * Rejillas de difracción * Dispersión difusa * Distribuciones de frecuencia * Despolarizadores ideales
  • Cálculo de la intensidad en medios homogéneos * Polarizadores lineales * Retardadores de onda lineales * Matrices de Mueller * Trazado de rayos no secuencial * Variable de longitud de las trayectorias ópticas * Opción de almacenar datos de estado de los rayos * Cálculo de fase * Retratos de fase * Mapas de Poincaré (diagramas de puntos)
  • Radiación polarizada, no polarizada y parcialmente coherente * Cálculo de la curvatura de los radios principales de los frentes de onda * Trazado de rayo en medios homogéneos o estratificados * Fase de estudio del trazado de rayos basado en las longitudes de las trayectorias ópticas * Trayectorias de rayo y diagramas de rayos * Reflexión y refracción en discontinuidades del material * Emisión de rayos de dominios, contornos o rejilla de puntos * Reflexión especular * Cálculo de parámetros de Stokes

Application Areas

  • Física y ciencia de la construcción * Cámaras * Revestimientos * Obtención de imágenes
* Interferómetros * Láseres * Sistemas de lentes * Componentes ópticos
* Monocromadores * Calentamiento por rayos * Acumulación de energía solar * Espectrómetros

Thermally Induced Focal Shift

Distributed Bragg Reflector Filter

Luneburg Lens

Anti-reflective Coating, Multilayer

Distributed Bragg Reflector

Solar Dish Receiver

Vdara® Caustic Surface

Czerny-Turner Monochromator

Corner Cube Retroreflector

Diffraction Grating

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