COMSOL Multiphysics® 5.3

Release Highlights

Ray Optics Module Updates

Ray Optics Module사용자분들을 위하여 COMSOL Multiphysics® 5.3버전에서는 불필요한 광선들을 제거할 수 있는 Ray Termination기능과 광도계 데이터를 불러올 수 있는 기능, 새로운 태양광 집진기에 대한 앱이 추가되었습니다. Ray Optics모듈에 대한 자세한 내용은 하단을 참고하여 주십시오.

Ray Termination Feature


새로운 Ray Termination기능은 stop조건 없이 광선들을 제거하기 위해 사용할 수 있습니다. 광선들은 형상이나 사용자가 지정한 영역을 통하여 제거할 수 있습니다. 궤적을 명확하게 출력하거나 불필요한 정보를 제거하기 위해 Ray Termination기능을 사용할 수도 있습니다. 형상 제약을 통하여 광선들의 세기가 특정세기보다 약하거나 형상으로부터 멀리 떨어지면 제거할 수 있습니다. 이 기능은 흡수 매질에 의해 세기가 약화되거나 곡면에 의한 영향으로 아주 낮은 세기를 가진 광선들에 의해 지나친 해석 자원을 사용하는 것을 막기 위해 사용할 수도 있습니다.

평행한 빔이 코팅되지 않은 볼록 렌즈에 의해 집중됩니다. Ray Termination기능은 렌즈 표면에 의해 반사된 빛을 제거하기 위해 사용되었습니다. 색은 로그함수로 빛의 세기를 나타내고 있습니다.
초점거리가 200mm(위)와 100mm(아래)인 두개의 볼록렌즈들을 통하여 진행하는 광선들. 짧은 초점거리를 가진 렌즈들을 통과한 광선들은 초점을 지나면 급격히 세기가 감소합니다. 그래서 렌즈를 지나 초점거리이상 진행한 광선들을 Ray Termination기능을 이용하여 제거하였습니다.

Import Photometric Data Files

Ray Optics모델에 광도계 데이터(photometric data file)를 불러와서 광선의 세기와 파워를 불균일하게 설정할 수 있습니다. Photometric Data File기능을 이용하면 북미조명학회(Illuminating Engineering Society of North America, IESNA))의 광도계 표준 형식인 *.ies파일을 불러올 수 있습니다. 이 기능을 이용하기 위해서는 Release from Grid의 Total Source Power부분에서 Intensity initialization을 Photometric Data Import으로 선택해야 합니다.

광도계 데이터를 모델로 불러올 때, 이 데이터는 광선 방향에 대하여 세기와 파워를 지정할 수 있는 함수형태로 만들어 집니다. 사용자는 IES표준에 의해 램프위치를 나타내는 광도 수평 방향과 광도기준 방향을 지정할 수 있습니다.

광선들은 z축에 대한 반구형 형태로 방출됩니다. 색은 불러온 광도 데이터에 의해 결정된 광선 세기를 나타냅니다.

광선들은 z축에 대한 반구형 형태로 방출됩니다. 색은 불러온 광도 데이터에 의해 결정된 광선 세기를 나타냅니다.


Geometry Part Variants


Ray Optics모듈을 위한 Part Library에서 형상의 크기를 정의하기 위한 몇 가지 방법이 있습니다. 사용자는 부품들을 모델로 불러 올 때, 입력 변수들이나 파트 변화 조합들을 선택할 수 있습니다. Add to Geometry를 선택할 때, 파트 변화를 선택하기 위한 창이 나타납니다.

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New Geometry Parts: Compound Parabolic Concentrators

Ray Optics모듈의 Part Library에 집광형 집열기(CPC)가 포함되었습니다. CPC는 서로 아주 가깝게 배치된 포물선 모양의 면들을 가지고 있습니다. 그래서 면의 끝이 반대쪽 면의 초점부분에 위치하고 있습니다. 허용되는 반각 이하로 인가된 빛은 여러 방향에서 인가된 빛을 집중시키는 집광기를 통해 전달됩니다.

CPC의 허용 반각으로 광선이 입사되면, 반대면상의 초점으로 집중됩니다.

CPC의 허용 반각으로 광선이 입사되면, 반대면상의 초점으로 집중됩니다.

광선들이 원뿔형태 분포를 따라 CPC안으로 인가됩니다. 원뿔각이 허용반각보다 작기 때문에 모든 광선들은 포물선 모양의 면에 의해 집중되고, 출력부분(파란색 직선)에 도달합니다.

Lambertian Emission


Ray release기능에 초기 방출 방향을 램버트(Lambertian) 분포로 지정할 수 있는 옵션이 추가되었습니다. 광선들은 램버트 코사인법칙을 기반으로 초기 방향을 지정하여 방출됩니다.
램버트 코사인 법칙은 편각θ를 고려한 다른 입체각 요소 dω를 통해 광선이 방출될 확률이 cos θ에 비례하는 조건입니다. 반면에 등방성 반구 분포에서 광선들은 반구에서 입체각 별로 동일하게 방출됩니다.

등방성 반구형태 방출(왼쪽)과 램버트 방출(오른쪽)에서 광선 분포 비교

등방성 반구형태 방출(왼쪽)과 램버트 방출(오른쪽)에서 광선 분포 비교


등방성분포와 램버트 분포에서의 편각에 대한 그래프

등방성분포와 램버트 분포에서의 편각에 대한 그래프


Improved Ray Tracing in 2D Axisymmetric Geometries


2차원 축대칭 모델에서 광선 세기를 계산할 때, 광선 진행방향에 대한 파면을 원통파 이외에도 구면파나 타원편파를 고려할 수 있습니다(이것은 실제 2차원 모델에서 적절한 간략화입니다). 즉 방위각과 관련된 곡면 주요 반지름은 모든 관선들에 대하여 계산됩니다. 이것을 통하여 2차원 축대칭 모델에서 광선 세기 계산을 좀 더 현실적으로 계산할 수 있습니다.

게다가 release기능들은 선이나 점, 대칭축 상의 특정 좌표에서 광선들을 방출할 수 있습니다. Release기능들을 사용할 때, 옵션을 이용하여 3차원에서 각 광선들이 동일한 입체각을 이루도록 비등방성 반구형태로 방출 시킬 수도 있습니다.

대칭축으로부터 광선이 구형태로 방출되기 위해 옵션을 사용할 때, 광선들은 방사방향으로 좀 더 가중치가 적용되어 3차원에서 각 광선들의 입체각은 거의 동일합니다. 대칭축은 빨간색 선으로 보여주고 있습니다.

대칭축으로부터 광선이 구형태로 방출되기 위해 옵션을 사용할 때, 광선들은 방사방향으로 좀 더 가중치가 적용되어 3차원에서 각 광선들의 입체각은 거의 동일합니다. 대칭축은 빨간색 선으로 보여주고 있습니다.


2차원 축대칭 모델에서 평면파에 대한 정반사. 대칭축은 빨간색 선으로 나타내었습니다. 색은 광선의 세기를 보여 주고 있습니다. 경계면이 직선이더라도 광선들의 세기는 경계면을 파면 곡률을 계산하기 위해 회전면으로 고려하므로 반사 후 증가합니다.

2차원 축대칭 모델에서 평면파에 대한 정반사. 대칭축은 빨간색 선으로 나타내었습니다. 색은 광선의 세기를 보여 주고 있습니다. 경계면이 직선이더라도 광선들의 세기는 경계면을 파면 곡률을 계산하기 위해 회전면으로 고려하므로 반사 후 증가합니다.


Ribbons on Ray Trajectories

Ray Trajectories plot에서 리본 옵션을 이용하여 광 궤적을 출력할 수 있습니다. 사용자는 리본의 방향 및 두께를 지정할 수 있습니다. 예를 들어 광선들이 집속형 물질을 통과하여 진행할 경우, 리본은 굽은 광선 경로들을 포함한 평면에 수직 혹은 평행하게 방향을 지정할 수 있습니다.

집속형 매질인 루네베르크 렌즈를 통과하는 광선 경로. 렌즈의 대칭축을 통과하지 않는 광선들은 곡선 경로를 가집니다. 이 그림에서 리본의 방향은 광선 경로를 포함하는 면에 수직하고, 색은 광선의 세기에 비례합니다.

집속형 매질인 루네베르크 렌즈를 통과하는 광선 경로. 렌즈의 대칭축을 통과하지 않는 광선들은 곡선 경로를 가집니다. 이 그림에서 리본의 방향은 광선 경로를 포함하는 면에 수직하고, 색은 광선의 세기에 비례합니다.


Extra Time Steps in Trajectory Plots

광선 궤적을 출력할 때, 광선과 벽이 상호작용하는 시간에 대하여 추가적인 시간 간격을 손쉽게 설정할 수 있습니다. 추가 시간 간격에 대한 숫자는 Ray Trajectories plot의 설정창에서 직접 조절할 수 있습니다. 옵션을 이용하여 추가 시간간격의 최대 개수를 직접 정의 할 수도 있고 저장된 시간 개수에 곱할 수도 있습니다.

Ray Trajectory plot에서 추가 시간 간격 수를 증가시키면 각각의 광선들이 벽에서 반사되는 것을 명확하게 볼 수 있습니다.

Ray Trajectory plot에서 추가 시간 간격 수를 증가시키면 각각의 광선들이 벽에서 반사되는 것을 명확하게 볼 수 있습니다.


Ray Detector Feature


Ray Detector기능은 release기능으로부터 선택된 도메인이나 면에 광선 도달 정보를 제공하는 도메인이나 경계의 기능입니다. 이러한 정보들은 전달되는 광선들의 숫자나 전달 확률, 방출된 광선대비 도달 광선의 비율 등을 포함하고 있습니다. 이 기능을 이용하면 모든 광선들이나 특정 기능에 의해 방출된 입자들의 개수를 계산할 수 있습니다. 이 기능은 특정 도메인이나 경계면에 도달한 광선들만 시각화할 수 있는 Ray Trajectories plot의 필터 특성에 사용할 수 있는 편리한 표현식을 제공합니다.
하단의 변수들이 <tag>를 가진 Ray Detector기능에 의해 정의됩니다.

  • <tag>Nsel_: release기능으로부터 검출기 까지 전달된 광선들의 개수
  • <tag>.alpha_: release기능으로부터 검출기 까지 광선이 도달할 확률
  • <tag>.rL_: 광선 포함을 위한 수식표현; 방사원으로부터 검출기까지 진행한 광선들의 시각화를 위하여 Ray Trajectories plot의 Filter속성에서 설정할 수 있습니다.
점 소스에서 등방성으로 광선들이 방출되고 흡수면(빨간색으로 표시)에 도달할 때까지 정반사됩니다. Ray Detector를 사용하여 흡수면에 도달하는 광선들만 보여주기 위한 필터 수식을 손쉽게 정의할 수 있습니다(아래쪽).

Extra Selections in Physics Features


Grating, Linear polarizer, Linear Wave Retarder, Mueller Matrix기능들과 같은 몇몇 물리 기능들에서 간혹 선이나 경계면에 대한 선택이 필요할 수 있습니다. 일반적으로 이런 선 선택은 3차원에서 회절격자나 광학 소자들의 방향을 지정하기 위해 사용됩니다. COMSOL Multiphysics®의 이전 버전들에서 선 선택은 Reference Edge를 추가하여 정의하였습니다. 하지만 5.3버전에서는 선 선택이 경계조건 설정창으로 이동되었습니다. 이를 통하여 서로 다른 영역에 대한 선택이 동일창에서 확인할 수 있어서 보다 명확한 사용자 설정 환경을 제공합니다.

COMSOL Multiphysics®  5.2a버전에서는 선형 편광기의 방향을 Reference Edge를 추가하여 정의 하였습니다.

COMSOL Multiphysics® 5.2a버전에서는 선형 편광기의 방향을 Reference Edge를 추가하여 정의 하였습니다.


 COMSOL Multiphysics®  5.3버전에서는 선형 편광기의 방향을 Linear Polarizer노드의 두 번째 선택창을 이용하여 정의됩니다.

COMSOL Multiphysics® 5.3버전에서는 선형 편광기의 방향을 Linear Polarizer노드의 두 번째 선택창을 이용하여 정의됩니다.


Improvements to the Optical Aberration Plot


Optical Aberration plot의 단일원에서 단색수차의 선형 조합을 출력할 때, 사용자는 단일원의 위치를 정의할 수 있습니다. 몇몇 단일 원들에 대하여 서로 다른 위치를 지정하여, Graphics창에서 동시에 다양한 수차결과를 확인 할 수 있습니다.

게다가 Optical Aberration plot은 Height Expression기능을 지원합니다. 2차원 수차결과를 높이가 제르니케(Zernike)다항식의 조합에 비례하는 3차원 결과로 출력하기 위해 사용합니다.

다른 동심원 위치와 높이 수식을 이용한 네 개의 수차 결과. 구면 수차(위의 왼쪽), 비초점(위의 오른쪽), 난시(아래의 왼쪽), 수직 코마(아래의 오른쪽)을 보여 주고 있습니다.

다른 동심원 위치와 높이 수식을 이용한 네 개의 수차 결과. 구면 수차(위의 왼쪽), 비초점(위의 오른쪽), 난시(아래의 왼쪽), 수직 코마(아래의 오른쪽)을 보여 주고 있습니다.


Coordinate System Selection for Inlets


Inlet기능을 이용하여 경계면에서 광선들을 방출시킬 때, 사용자는 입자 속도나 모멘텀을 모델상의 임의의 좌표를 이용하여 정의할 수 있습니다.

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New Component Couplings on Rays


Geometrical Optics 지배식에서 새로운 함수들이 자동으로 생성되고, 예전 함수들의 기능이 달라졌습니다. 예전 함수들 중 gop.gopop1(expr)는 아직 방출되지 않은 광선들이나 사라진 광선들을 자동으로 제외합니다. 각 광선들의 자유도는 보통 not-a-number(NaN)입니다. 그래서 광선들에 대하여 더하기나 평균을 계산할 때 자동으로 제거되어 편리합니다.

NameDescription
gop.gopop1(expr)움직이거나 고정된 광선들에 대하여 expr 수식의 더하기
gop.gopop_all1(expr)모든 광선들에 대하여 expr 수식의 더하기
gop.gopaveop1(expr)움직이거나 고정된 광선들에 대하여 expr 수식의 평균
gop.gopaveop_all1(expr)모든 광선들에 대하여 expr 수식의 평균
gop.gopmaxop1(expr)움직이거나 고정된 광선들에 대하여 expr 수식의 최대값
gop.gopmaxop_all1(expr)움직이거나 고정된 광선들에 대하여 expr 수식의 최소값
gop.gopminop_all1(expr)모든 광선들에 대하여 expr 수식의 최소값
gop.gopmaxop1(expr, evalExpr)움직이거나 고정된 광선들에 대하여 expr 수식의 최대값에서 evalExpr 계산
gop.gopmaxop_all1(expr, evalExpr)모든 광선들에 대하여 expr 수식의 최대값에서 evalExpr 계산
gop.gopminop1(expr, evalExpr)움직이거나 고정된 광선들에 대하여 expr 수식의 최소값에서 evalExpr 계산
gop.gopminop_all1(expr, evalExpr)모든 광선들에 대하여 expr 수식의 최소값에서 evalExpr 계산

Additional Statistics Based on Ray Status


Store ray status data 옵션을 선택했을 때, 아래의 새로운 변수들이 정의됩니다.

알림: gop태그를 가진 Geometrical Optics 지배식에 대하여 수식이 정의되었습니다. 물리 지배식에 대한 태그는 지배방정식별로 다릅니다.

NameExpressionDescription
gop.ffrgop.gopop1(gop.fs==2)최종 시간에 고정된 광선들의 비율
gop.fstgop.gopop1(gop.fs==3)최종 시간에 갖힌 광선들의 비율
gop.facgop.gopop1(gop.fs==1)최종 시간에 이동중인 광선들의 비율
gop.fdsgop.gopop1(gop.fs==4)최종 시간에 사라진인 광선들의 비율
gop.fsegop.gopop1(!primary&&gop.fs>0)/gop.Ms최종 시간에 이차 방출된 광선들의 비율

Advanced Options to Specify Ray Release Times


사용자는 특정 광선 방출시간 영역을 입력할 수 있습니다. 이전버전에서 광선들은 동시에 방출되었습니다. 서로 다른 시간에 방출되기 위해서는 Allow multiple release time옵션을 Geometrical Optics지배식 설정창의 Advanced Setting항목에서 활성화합니다. 그러면 release기능에서 방출 시간 영역을 정의할 수 있습니다.

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Convergence-Based Termination Criteria for Bidirectionally Coupled Models


Stationary와 Ray tracing을 반복하는 Bidirectionally Coupled Ray Tracing 스터디를 사용한 모델에서 사용자는 고정된 반복횟수 대신 수렴조건을 이용하여 종료시킬 수 있습니다.

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New App: Solar Cavity Receiver Designer

태양광 수신기는 인가된 태양광을 좁은 면적에 집중시켜 열을 발생시키기 위해 사용됩니다. 이 열은 전기적/화학적 에너지로 변환됩니다. 태양열 파워 시스템에서 일반적인 성능 지수는 집중 비율이나 수신기의 표면상의 태양광, 공기중의 태양광의 초점면입니다.

Solar Cavity Receiver Designer는 Solar Dish Receiver예제모델을 기반으로 실행됩니다. 앱에서 인가된 태양광은 작은 영역에 집중된 태양광이 모이는 동안 포물선 모양의 접시에 의해 반사됩니다. 총 여섯 가지의 변수화된 형상 – 원기둥, 반구, 이종원뿔, 타원형, 구형, 원뿔형태 – 들을 연구를 위해 사용할 수 있습니다. 또한 태양의 흑점과 표면 조도를 포함하여 여러 가지 다른 형태의 변화를 고려할 수도 있습니다. 각각의 형상에서 설정된 결과들은 태양광 분포와 초점면에서의 집중비율, 캐비티 내부면상에 인가된 태양열들을 보여줍니다.

Solar Cavity Receiver Designer 앱. 형상은 태양을 향한 포물선 형태의 반사체와 이종원뿔 형태의 수신기로 구성되어 있습니다.

Solar Cavity Receiver Designer 앱. 형상은 태양을 향한 포물선 형태의 반사체와 이종원뿔 형태의 수신기로 구성되어 있습니다.


Application Library path for the Solar Cavity Receiver Designer app:

Ray_Optics_Module/Applications/solar_dish_receiver_designer

New Tutorial Model: Total Internal Reflection Thin-Film Achromatic Phase Shifter (TIRTF APS)

빛의 편광을 변화시키는 능력은 다양한 광학 장치들에서 중요합니다. 예를 들어 빛의 편광은 광학 절연체들과 감쇠기들, 빔 분할기들의 성능에 상당한 영향을 줍니다. 선형 또는 원형 편광같은 빛을 특정 편광으로 정의하면, 광학 시스템에서 눈부심을 상당히 줄일 수 있습니다.

편광을 조절하는 가장 기본적인 방법 중 하나는 전계의 한 성분이 진행하는 빛의 직교 전계 성분에 비례하여 위상지연 또는 지연되는 파 지연입니다. 예제에서 전반사현상은 광범위한 스펙트럼 영역에서 거의 균일한 위상 지연을 보이는 무색 위상 이동기나 파 지연기를 설계하거나 모델링 하는데 사용됩니다. 위상 지연은 두 매질 사이의 경계면에 존재하는 얇은 유전체에 의해 영향을 받습니다.

이 벤치마크모델에서 단일 혹은 삼층 코팅에 대한 위상지연 정도를 계산하고 기존에 발표된 결과와 비교하였습니다. 이 이론은 넓은 스펙트럼 영역에 대하여 거의 균일한 위상지연이 발생하는 전반사 얇은 필름 무색 위상 이동기(TIRTF APS)를 설계하기 위해 사용될 수 있습니다.

위상 지연이 파장에 대하여 나타내어 있습니다. 위상 지연은 반사면에 여러 층의 유전체를 코팅하면 넓은 스펙트럼 영역에 대하여 더 균일하게 나타납니다.

위상 지연이 파장에 대하여 나타내어 있습니다. 위상 지연은 반사면에 여러 층의 유전체를 코팅하면 넓은 스펙트럼 영역에 대하여 더 균일하게 나타납니다.

Application Library path for the Achromatic Phase Shifter tutorial model:

Ray_Optics_Module/Polychromatic_Light/achromatic_phase_shifter

New Tutorial Model: Fresnel Rhomb.

프레넬 사방체는 편광된 빛을 조절하기 위해 전반사를 사용하는 프리즘입니다. 이 예제에서 프리즘 내부의 빛은 s편광과 p편광 사이에 45도 위상지연이 발생하는 입사각에서 내부 반사가 일어납니다. 빛을 두 번 반사시켜서, 프리즘은 선형편파특성을 가진 빛을 원형 편파특성을 가진 빛으로 변경합니다.

프레넬 사면체에서 광선의 타원편파. 입사면에 45도 각도로 편광된 광선은 첫 번째 반사에서 타원편파로 변경되고, 두 번째 반사에서 원형 편파로 변합니다.

프레넬 사면체에서 광선의 타원편파. 입사면에 45도 각도로 편광된 광선은 첫 번째 반사에서 타원편파로 변경되고, 두 번째 반사에서 원형 편파로 변합니다.

Application Library path for the Fresnel Rhomb tutorial model:

Ray_Optics_Module/Tutorials/fresnel_rhomb