基于Zemax的玻璃微珠反射计算与仿真文档格式.docx
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学习玻璃微珠原向反射的相关原理,掌握玻璃微珠特性,根据其特性和相关参数要求计算光学仿真模型参数,在Zemax光学仿真软件中构建模型。
在此基础上,按照参数要求进行激光光路玻璃微珠原向反射光学仿真实验,并获取反射回光源处的光斑大小及能量分布情况,并与理论值进行比较、分析。
技术指标:
(1)激光波长为650nm,功率为100mw,发散角为30°
;
(2)玻璃微珠直径为0.2mm,折射率为1.8;
(3)光源与原向反射屏相距1.5m;
(4)对单个原向反射微珠做原向反射仿真实验;
(5)对玻璃微珠阵列做原向反射仿真。
3.设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕:
(1)根据题目要求和对设计题目的理解,查阅相关资料,并消化查阅到的资料;
(2)掌握与玻璃微珠原向反射相关的设计思想、原理,写出设计方法和路线;
(3)提出玻璃微珠原向反射模型和相关参数计算的方案,详细叙述方案的思路,讨论方案的优缺点,对方案进行详细的可行性分析;
(4)构建玻璃微珠原向反射仿真模型,进行玻璃微珠原向反射相关参数设置;
(5)使用Zemax光学仿真软件,按照要求对玻璃微珠原向反射光路光学仿真参数设置和仿真实验,按照设计容和要求获取仿真结果;
(6)对设计和仿真过程进行详细描述,从理论角度说明仿真结果的正确性;
(7)完成设计说明书,对设计过程进行详细总结;
(8)课程设计答辩。
4.主要参考文献:
《应用光学》中国科学技术大学
《光学仪器设计手册》国防科技出版
《光学设计》电子科技大学
《激光原理》国防工业
《应用光学与光学设计基础》东南大学
5.设计成果形式及要求:
(1)设计思路框图或设计路线框图;
(2)必要的光学设计图;
(3)仿真的相关模型参数表;
(4)光学仿真光路图;
(5)光学仿真实验结果图;
(6)课程设计说明书。
6.工作计划及进度:
2015年01月19日—2015年01月20日理解设计题目要求,查阅相关资料;
2015年01月21日—2015年01月22日提出设计方案,选择设计方案,优化设计方案,确定设计方案;
2015年01月23日—2015年01月25日构建玻璃微珠原向反射光学仿真模型,设置相关参数,上机进行光学仿真实验;
2015年01月26日—2015年01月27日对设计的光学系统进行调试,优化,完善光学系统;
2015年01月28日—2015年01月29日按照课程设计任务书中要求的相关容进行总结,认真完成课程设计说明书;
2015年01月30日—2015年01月30日课程设计答辩。
负责人审查意见:
签字:
年月日
1、设计总体的光波长和非序列仿真..................................................7
摘要
基于原向反射屏的激光光幕设计与仿真,本实验采用zemax作为仿真软件,采用半导体激光器模拟激光光源,利用球阵列、碗阵列构成玻璃微珠,玻璃微珠对光的回向反射性已在全息摄影、电影、交通标志等领域获得了广泛应用,根据参数要求建立激光的原向反射光路仿真,得到反射回光源处的光斑大小及能量分布情况,并由单个玻璃微珠推广到玻璃微珠阵列。
关键词:
原向反射、zemax仿真、玻璃微珠
Basedontheoriginaltothereflectorscreenofthelaserlightcurtaindesignandsimulation,theexperimentusingzemaxassimulationsoftware,semiconductorlasersareadoptedtosimulatethelaserlightsource,usingaballarray,bowlarrayglassbeads,glassbeadslightbacktoinholographicphotography,film,reflectivetrafficsigns,etcwidelyapplication,accordingtotheparametersoftheirquesttoestablishalaseroftheoriginaltothereflectedlightroadsimulation,bereflectedbacktothelightsourceoflightspotsizeandenergydistribution,andbyasingleglassbeadsglassbeadstoarray.
Keywords:
theoriginaltoreflect,zemaxsimulation,glassbeads
总体设计任务与要求
学习玻璃微珠原向反射的相关原理,掌握玻璃微珠特性,根据其特性和相关参数要求计算光学仿真模型参数,在Zemax光学仿真软件中构建模型。
(6)激光波长为650nm,功率为100mw,发散角为30°
(7)玻璃微珠直径为0.2mm,折射率为1.8;
(8)光源与原向反射屏相距1.5m;
(9)对单个原向反射微珠做原向反射仿真实验;
(10)对玻璃微珠阵列做原向反射仿真。
设计背景:
玻璃微珠对光的回向反射性已在全息摄影、电影、交通标志等领域获得了广泛应用,它在日常的生活中已经大量使用,比如警用反光衣、反光胶带、道路、汽车、各种机械设备中,起着照明、反光、警示的作用。
反光部分是运用高折射率的玻璃微珠回归反射原理,通过调焦后处理的先进工艺制成。
它能将远方直射光线反射回发光处,不论在白天或黑夜均有良好的逆反射光学性能。
尤其是晚上,能够发挥如同白天一样的高能见度。
使用这种高能见度反光材料制成的反光胶带,无论使用者是在遥远处,还是在着光或散射光干扰的情况下,都可以比较容易地被夜间驾驶者发现。
反光材料的出现顺利解决了“看到”和“被看到”这一夜间行车难题。
本次课程设计就是在这种背景下,利用光学软件模拟、测试玻璃微珠的反射光路、能量损失等参数。
进一步了解玻璃微珠的原理和应用,很具有实际意义。
三、总体设计方案
本次设计采用光学软件zemax2005汉化版进行光路的仿真和数据的测量,并且构建单个玻璃微珠和玻璃微珠阵列模型,利用半导体激光器作为光源,模拟激光器发出线性光,准直性、单色性好。
光线的接受和能量的测量采用软件自带探测器进行。
玻璃微珠原理图如下:
光线经过球透镜汇聚,反射膜恰好放在透镜焦点处,这样反射光能够沿着原光路返回。
获取反射回光源处的光斑大小及能量分布情况,并与理论值进行比较、分析。
反射光幕的的长度为D=2*tan(π/12)*1500=800
4、设计容
1、采用非序列部件,激光波长为650nm
2、单个玻璃微珠反射光路设计
设计表格如下:
采用非序列部件,半导体光源,能量0.1w,发散角30度,由球、和碗组成玻璃微珠,其中球采用折射率为1.8的玻璃,碗起到反射镜的作用,反射光线,值得注意的是要将碗的模型调整在X轴方向旋转180度,紧紧扣在球模型的后面,组合好的玻璃微珠放在距离源点600mm的位置,接受屏也就是传感器放置在源点,注意要离开光源一段距离,目的是防止光源对反射光线形成干扰,这里选择传感器放置在距离源点0.1的位置。
设计表格如上图。
仿真图:
传感器屏效果:
结果分析
通过以上传感器显示图像可知,二极管光源发出线性光束,经过玻璃微珠模型发射后达到传感器,大部分光能够汇聚到原来光源处,由像屏可以看出,中间能量明显高,为0.58mw,x轴大小为4.6mm,y轴大小为4.8mm,周围有部分微弱光源,整体形状为圆形光斑。
3、玻璃微珠阵列反射光路设计
整体表格:
分析:
依然是采用非序列部件,半导体光源,能量0.1w,y轴发散角30度,x轴发散角为0.0038度,由球阵列和碗阵列组成玻璃微珠,透镜材料用的是LAF9反光材料用的是MIRROR,其中球采用折射率为1.8的玻璃,碗起到反射镜的作用,反射光线,值得注意的是要将碗阵列的模型调整180度,紧紧扣在球阵列模型的后面,组合好的玻璃微珠阵列放在距离源点600mm的位置,此外,还要调整90度的角度,是阵列能够立起来,接受屏也就是传感器放置在源点,注意要离开光源一段距离,目的是防止光源对反射光线形成干扰,这里选择传感器放置在距离源点0.1的位置。
效果图:
探测器效果图
探测器显示光斑位置能知道回路反射发散角大小:
五、仿真结果和分析
1、总功率大小分析:
表1:
共测数据25组,每次沿y轴移动16mm,测得数据如下:
(单位:
*10^-5W)
1(16mm)
2(32mm)
3(48mm)
4(64mm)
5(80mm)
23.10
22.64
22.27
21.79
17.60
6(96mm)
7(112mm)
8(128mm)
9(144mm)
10(160mm)
16.96
16.50
15.74
15.32
13.13
176mm
192mm
13(208mm)
14(224mm)
15(240mm)
12.73
11.83
10.92
9.66
9.11
16(256mm)
17(272mm)
18(288mm)
19(304mm)
20(320mm)
7.62
6.68
5.79
5.43
21(336mm)
22(352mm)
23(368mm)
24(384mm)
25(400mm)
4.45
3.79
3.58
2.73
2.66
2、能量分布分析:
图—1
根据球透镜光学特性整个Y轴上光强特性属于对称关系
图—2
分析:
从图中可以看出,整个Y轴中,反射回来的光强随着玻璃微珠的位置向下,像上移动过程中不断减小,当光源直射时候最强。
平均能量为0.1181142mW,总光强为0.1181142*400=47.24mW,可得能量损失为52.8%。
3、倾角分析
图—3
有效回向反射角的定义是反映玻璃微珠回向反射性能的重要参量。
计算可知倾角的平均值为度4.95。
理论值计算公式
=4.6,实验选用的是折射率为n=1.8的LAF9的透镜材料,发散角为4.6度,与理论值相符合。
4、光斑半径大小分析:
(单位mm)
1
2
3
4
5
151.3
131.4
132.0
127.5
135.2
6
7
8
9
10
141.7
152.6
136.5
136.7
11
12
13
14
15
137.0
137.4
127.8
127.2
16
17
18
19
20
127.0
116.3
118.3
127.3
122.2
21
22
23
24
25
133.1
118.5
124.6
108.8
光斑大小变化呈现的趋势是从大到小,然后保持一段,再由大变小。
整体的变化趋势是逐渐减小的。
平均光斑直径的、大小为130.484mm。
光斑的平均面积为S=π*R^2=53488.99mm
六、总结和体会
我通过本次玻璃微珠原向反射实验,了解了玻璃微珠反射的原理,建立了激光的原向反射光路仿真,得到反射回光源处的光斑大小及能量分布情况,功率损失为52.8%,与理论值有一定差距,这与数据测量时产生的误差、系统设计参数有关,还有透镜材料的折射率LAF9的折射率n=1.79约等于1.8与铝轮数值存在一定误差。
参考相关论文报告和文献,我们得知,反射回来的光斑能量成正态分布,当折射率n<
2时,玻璃微珠的回向反射性能随着折射率n值的增大而增强;
当n≥2时,回向反射性能则随着折射率n值的增大而减弱(现还无n≥2的玻璃微珠应用)。
有效回向反射角的定义是反映玻璃微珠回向反射性能的重要参量.在实际应用中,对有效回向反射角的不同要求,可通过选择折射率n来达到。
通过本次课程设计,使我进一步了解了zemax软件的应用,了解了玻璃微珠的原理和应用,以及其反射光斑所呈现的特点,这次课程设计历时两周,三个人分工明确,同心协力,很好的完成了本次实验。
7、主要参考文献
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