基于Zemax的玻璃微珠反射计算与仿真.docx
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基于Zemax的玻璃微珠反射计算与仿真
中北大学
课程设计报告书
2014/2015学年第1学期
学院：
信息与通信工程学院
专业：
光信息科学与技术
学生姓名：
学号：
课程设计题目：
基于Zemax的玻璃微珠反射计算与仿真
起迄日期：
：
2015年1月19日—2015年1月30日
课程设计地点：
指导教师：
系主任：
课程设计任务书
1．设计目的：
在熟练掌握Zemax光学仿真软件的基础上，能够按照设计要求计算相关参数，并使用Zemax光学仿真软件进行玻璃微珠原向反射计算和仿真实验。
通过设计，使学生具有一定综合分析问题和解决问题的能力，能够运用光学仿真软件进行光学系统设计。
2．设计容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：
设计容和要求:
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。
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。
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:
（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。
设计表格如上图。
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）
9.66
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
136.7
11
12
13
14
15
137.0
127.5
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
127.5
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
1、于爽, 冬娥, 章晓眉, 等. 玻璃微珠原向反射屏发散角测试[J]. 激光技术, 2013
2、王海林, 登印. 基于 Zemax 半导体激光器与单模光纤耦合系统设计[J]. 光子学报, 2011, 1.
3、国, 长明, 纪荣祎, 等. 基于 ZEMAX 的半导体激光准直仿真设计[J]. 激光技术, 2012
4、阿民,真.逆向反光镜光度测量[J].光电工程,1994,21（6）:
38-44
5、StoudtMD,VedamK.Retroreflectionfromsphericalglassbeadsinhighwaypavementmarking.1:
Specularreflection[J].AppliedOptics,1978,17（12）:
1855-1858
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