基于舍选抽样BRDF离散数值的散射光线追迹方法

提出了一种基于表面双向反射分布函数（BRDF）离散测量值直接追迹散射光线的方法，以各向同性表面为例，先对随散射角离散变化的表面BRDF离散测量数据组做空间坐标转换，由散射角半球空间转换到方向余弦空间；再通过等间距赋值插等值方式得到方向余弦空间内分布的BRDF数据；然后，利用舍选抽样法不受限于累积分布函数（CDF）求解过程的优点，设计新的散射概率模型，以方向余弦空间内BRDF数值比表示离散光线的概率分布，设定检验条件筛选出散射光线的空间坐标，实现散射光线追迹。为验证本文方法的准确性与适用性，设置相同的入射角、追迹光线数量等仿真参数，编制了本文光线追迹方法的仿真程序，对不同光机元器件建模仿真，对比商用LightTools软件的仿真结果，计算二者的通用质量指数UQI作为比对评价指标。结果表明，基于舍选抽样BRDF离散数值的散射光线追迹方法，运算结果数据准确，与商用LightTools软件的仿真结果相比，UQI值均在0.998以上，且波动范围小，本方法具有良好地适用性。     

超小自聚焦光纤探头研究用场追迹数值模拟技术

研究场追迹数值模拟技术在超小自聚焦光纤探头设计与分析中的应用方法.首先,论述场追迹的概念及其基本原理;其次,论述场追迹在VirtualLab软件中的实现方法;最后,研究超小自聚焦光纤探头在基于场追迹的物理光学软件VirtualLab中的建模与分析方法,并进行仿真结果与实验结果的比较分析.结果显示,如设无芯光纤的长度为0.36 mm,自聚焦光纤透镜的长度分别为0.10,0.11和0.12 mm,计算所得的工作距离分别为0.75,0.63和0.51 mm,光斑尺寸分别为32,24和19 μm.理论计算结果与实验结果符合,表明基于场追迹的数值模拟技术是研究超小自聚焦光纤探头设计与分析方法的一个有效手段.     

劳厄弯晶光学特性的光线追迹研究

基于X射线几何衍射的晶层模型,编写了用于柱面弯曲劳厄晶体的光线追迹软件.程序主体用C语言编写,在VC++环境下运行.利用程序分别对衍射光方向和能量带宽两方面不同的项目进行追迹,通过模拟结果与理论计算和实验结果的对比,显示出很好的一致性,从而验证了程序在追迹衍射光衍射方向变化和能量变化方面的正确性.利用该光线追迹软件,追...     

椭圆反射式波带片光线追迹算法

提出了一种基于光栅衍射原理的椭圆反射式波带片(ERZP)光线追迹算法,分析了ERZP的衍射聚焦和能谱分辨特性。基于该算法,将ERZP光线追迹模块添加到光学仿真软件X-LAB中,使之具有了计算量小、效率高等优点,这对含有ERZP光学系统的设计和数值模拟具有重要意义。     

一种基于子面拼接的光线追迹算法

为解决自由曲面设计过程中多个软件之间数据传输引起的限制和繁琐,提出了一种基于子面拼接的光线追迹算法.该算法首先用三角形微面元来拟合光学器件表面,然后从光学器件出发分别建立和光源及探测目标面的映射关系,以各微面元的空间位置、法向矢量及面元所对应的立体角来计算该面元可接收到的光源辐射功率,并据此得到探测面上的照度分布.为验证本文算法的有效性,基于Matlab 7.14平台编写了相应程序,并与Trace/Pro进行了对比仿真实验.结果表明,该追迹算法具有较高的追迹效率和精度,易于与计算模块融合成为闭环的反馈优化设计系统,实现曲面设计的自动优化,以取得更好的设计效果,并节约仿真和优化时间,具有广泛的实用价值.     

温度对星载成像光谱仪谱线漂移的影响

为了研究温度对成像光谱仪谱线漂移的影响,分析了谱线漂移与光谱成像系统各镜面刚体位移之间的关系,建立了温度对成像光谱仪谱线漂移影响的理论模型,通过软件仿真和热光学试验对理论模型进行了验证和修正。基于线性光学理论建立了镜面刚体位移对谱线漂移影响的数学模型,使用蒙特卡罗法对理论模型进行了数值仿真验证;采用有限元法求解了温度载荷下各镜面的刚体位移,在Matlab软件环境下利用Code V的API函数对变形后的光学系统进行了光线追迹,求解了镜面刚体位移导致的谱线位置变化,研究了成像光谱仪的谱线漂移特性,得到了温度载荷作用下的谱线漂移模型;通过热光学试验对理论模型进行了验证和修正。结果表明,在8℃～28℃范围内,谱线在光谱方向仅发生整体平移,没拉伸或压缩效应;基于线弹性理论和线性光学模型建立的理论模型与试验结果吻合较好,最大偏差不超过12%,修正后的谱线漂移模型相对误差小于5%,绝对精度优于0.2pixel。     

光学设计软件X-LAB及其工程化应用

针对自由电子激光、同步辐射光束线以及惯性约束聚变、极端条件物理过程等X射线光学系统，开发了具有独立知识产权的光学设计仿真软件X-LAB。基于光学衍射算法和序列式光线追迹算法，该软件集光线追迹仿真、矢量衍射仿真和复杂微结构特征光学元件版图绘制等功能，具有界面友好、操作便捷、包含特殊光学模块、支持“用户定制”功能等特点，为开展X射线光学系统、光学元件概念设计、优化和研制提供了不可或缺的平台。目前，X-LAB成功应用于能谱分辨率优于1000、能谱范围10~100 eV的北京同步辐射3B1无谐波单色化束线设计中及空间分辨优于6 μm，视场500 μm的惯性约束聚变物理过程X射线诊断光学系统——K-B镜系统的设计和优化中；具有复杂微结构光子筛版图绘制功能。     

基于子曲面分割和迭代的自由曲面光线追迹方法

根据光学自由曲面数学描述复杂,但面形较为平滑的特点,提出一种新的基于子曲面分割和迭代的自由曲面光线追迹方法。通过离散点分割形成子曲面阵列,根据三角形内角和定理确定目标子曲面,对目标子曲面进行切平面迭代完成光线追迹。通过数值仿真,采用所提方法分别对偶次非球面、双圆锥曲面、扩展多项式面和单透镜无像散系统进行光线追迹,并与ZEMAX追迹结果进行比对。结果表明:该方法在离散点采样密度很低的情况下（降低了计算机的内存消耗和运算时间）仍然可以保证光线追迹的精确性,与ZEMAX中光线和自由曲面交点的偏差达到10-3（nm）量级,出射光线角度的偏差达到10-3（）量级。     

基于双旋延迟器结构的偏振BRDF测量系统的设计

偏振双向反射分布函数（BRDF）不仅可以表示物体散射光辐强度的空间分布情况,还包含了丰富的偏振信息。与标量BRDF相比,偏振BRDF可以更加精确地、全面地表示物体表面的光散射情况。设计了基于双旋延迟器结构的偏振BRDF测量系统,通过同步旋转波片调制入射光和散射光的偏振态,得到一系列变化的光强值,再由光强的Fourier分解系数计算获得样品的偏振BRDF值。系统内设计了一对正交反射镜,用以减小系统中器件后向散射光的影响。通过铝板偏振BRDF的测量,说明了该系统具有较高的准确性。     

远程照明系统眩光效应分析

眩光效应是影响照明系统使用效果的重要因素。首先建立了眩光效应的评估模型,对某远程照明系统进行实际建模仿真及定量分析,计算了其眩光效应的理论值。分析了人眼视觉仿真模式并使用逆向追迹算法对系统的人眼视觉效果进行仿真,最后对不同视角、不同昼夜背景环境、不同观察距离仿真了人眼观察照明系统的实际眩光效果。对某实际远程照明系统的仿真结果表明其眩光值G_R小于30,眩光效应较为严重,并使用软件仿真验证了理论分析的结果。提出的分析方法对照明系统眩光效应评价及判断给出了可视化的评判方法。在照明系统的设计领域有应用前景。     

在轨空间目标光学特性宏观表征模型的反演重构

为了在天基远距离条件下反演三轴稳定空间目标表面的光学特性参数,提出了基于可见光时序光度信号分析的光学特性宏观表征模型的反演重构方法.首先,综合考虑空间目标的结构特性、表面材料特性、帆板的对日指向运动特性、光照观测几何以及光学系统特性,完善了面向在轨观测的空间目标可见光时序光度建模方法;其次,将光度模型等效为双面模型,并利用双向反射分布函数(BRDF)的多级融合模型表征复杂材料表面的光学反射特性,将BRDF对应的面积反射率乘积作为待反演参数;最后,以时序光度信号的测量值与模型值之间的差异最小为优化目标,建立线性优化方法,实现模型参数的反演.仿真实验表明,提出的模型在轨重构方法对于近轨观测条件下的本体、帆板信号的重构精度达到97%以上,验证了方法的正确性.     

光线追迹在高能激光能量计系统设计中的应用北大核心CSCD

将光线追迹方法用于高能激光能量计的系统设计中。针对锥形腔激光能量计后向散射问题,使用光线追迹方法进行能量仿真模拟,并将其结果与理论计算结果进行对比,验证了该方法的可行性。同时将其应用于实际的高能激光能量计系统设计中。     

大孔径空间外差干涉光谱成像技术多谱段成像仿真

在大孔径空间外差干涉光谱成像技术（LASHIS）的基础上提出了一种多谱段成像方案.其采用LASHIS的外差探测原理,一方面,可通过较少的采样点数实现很高的光谱分辨率,保留了LASHIS的高光谱分辨率、高稳定性和高探测灵敏度的特点;另一方面,利用光栅的多级衍射性质,实现同一系统的多谱段同时探测,拓宽了光谱探测范围.首先,阐述了LASHIS多谱段成像方案的基本原理;然后,分析了多谱段探测与谱段解混方式;最后,对该方案进行了计算机仿真模拟,通过ZEMAX光线追迹的干涉图结果与理论计算结果相符合,验证了方案的正确性.基于LASHIS的多谱段成像方案所具有的高光谱分辨率、高探测灵敏度以及可实现同一系统的多谱段同时探测特点,尤其适合温室气体等高稳定性、高探测灵敏度的多谱段高光谱探测应用.     

星载激光测距大气校正算法与模型研究

考虑大气折射对星载激光测距的影响,研究了基于光线追迹理论的激光程差计算方法.综合利用气象探空数据和高层大气模式数据,拟合得到了全国46个典型地区的年度平均大气折射率模数高度分布廓线.据此,比较分析了光线追迹算法结果与Marini-Murray模型计算结果,给出了激光程差的全国性分布状况.最后,分析了激光程差与海拔高度和...     

基于近焦点非球面透镜的LED均匀照明设计

依据几何光学和非成像光学理论,提出了一种基于大尺寸近焦点非球面透镜的大功率LED均匀光源设计方法。在该方法中,首先根据选定参数的LED通过几何光学理论初步设计非球面透镜参数,然后在ZEMAX软件中对非球面透镜参数进行基于评价函数的优化,得到焦距76.79 mm、直径为200 mm的非球面透镜。将非球面透镜导入TRACEPRO软件建模并进行光线追迹仿真,根据仿真结果获得最优透镜参数进行加工和下一步实验。实验结果表明:均匀照明系统可以在60 cm处实现发散角±8.53°的均匀照明,光斑均匀性达到95.82%。     

使用辅助光栅的平面变间距全息光栅加工理论研究

变间距全息光栅具有自聚焦和消像差功能,是高分辨率光谱仪与同步辐射单色器中的重要元件。研究了使用平面等间距光栅产生非球面波,记录平面变间距全息光栅的方法。根据几何光学的光线追迹理论,推导了光栅参量的四阶解析表达式。并基于费马原理,提出了记录光路的光线追迹数值算法。应用所推导的光栅参量四阶表达式,仿真设计了变间距全息光栅。通过合理选择记录参量,可以避免光栅基底受到零级及高阶衍射光场的影响。设计结果表明,理论光栅线密度与要求值相当符合;经光线追迹数值算法验证,解析表达式的展开误差在整个记录区域内小于1.5线;考虑到实际加工工艺允许误差,使用辅助光栅的记录光路对记录参量的误差并不敏感;设计实例证明了解析表达式的有效性,以及使用辅助光栅的记录光路的优越性。     

一种实用型粗糙面六参数双向反射分布函数模型

通过对五参数半经验双向反射分布函数(BRDF)模型进行修改,并吸收其它模型的优点,提出了一个六参数BRDF模型,该模型形式更简单,拟合效果更好,并且模型满足了能量守恒和互易性,使该模型更趋于实用化。利用模拟退火算法对多种不同样片的BRDF进行了拟合建模,获得了相应模型的参数值和偏差,结果证明了该模型的正确性,尤其适合对散射特性较弱样片BRDF的拟合建模。对于散射特性较弱的样片,与常用的五参数模型进行了比较,该模型的漫反射部分拟合效果更好,总体精度还略有提高。最后,为了更直观地表示目标样片的BRDF,分别给出了各个角度BRDF的三维拟合图。     

基于遗传LM算法的涂层目标光谱偏振BRDF建模分析

通过比较测量方法测量得到绿漆涂层木板探测目标在400～720 nm的光谱偏振二向反射分布函数值,从获得的户外试验测量数据入手,分析与探测角、波长之间的关系,通过有限探测条件得到的光谱偏振二向反射分布函数值(BRDF)建立光谱偏振BRDF模型,来描述探测目标的偏振二向反射特性。其中利用基于小面元的模型建立光谱偏振BRDF模型,利用遗传算法和Levenberg-Marquardt(LM)算法相结合的优化算法来获得非线性模型参数。仿真实验结果表明采用的遗传LM优化算法具有较好的性能,能较快较准确得到非线性的模型参数。真实实验数据证明了基于小面元模型的正确性,表明光谱偏振二向反射分布函数建模方法结果的可靠性。最后与绿漆涂层铁板目标的模型反演参数进行比较得出：2种不同材质、相同颜色涂层的目标,具有较为接近的折射率,其较小差别可以理解为由涂层的厚度、均匀程度的不同导致,而非不同的材质所引起。     

基于多偏振照明的浸没式光刻机投影物镜高阶波像差快速检测技术

提出了一种基于多偏振照明的浸没式光刻机投影物镜高阶波像差快速检测技术。通过采用一元线性采样方式,在不同偏振照明条件下采集浸没式光刻机投影物镜的空间像进行主成分分析,在快速建模的同时实现高阶波像差的高精度检测。与基于Box-Behnken Design统计抽样方法的超高数值孔径光刻投影物镜高阶波像差检测方法相比,所提技术有效降低了采样数,提高了采样效率,加快了建模速度。采用光刻仿真软件PROLITH对所提技术进行了仿真验证,并分析了照明方式对高阶波像差检测精度的影响。仿真结果表明,该技术对高阶波像差(Z5~Z64)的检测精度优于1.03×10~(-3)λ,同时其建模速度提升了约30倍。     

基于地面与低空无人机联合观测场地BRDF建模方法

双向反射分布函数（BRDF）是星载遥感器进行场地替代定标中的重要参量,随着技术的进步,低空自旋翼无人机已经成为了获取场地BRDF的便捷高效手段,通过现场测量准不变定标场的无人机多角度观测光谱数据,建立更加准确的BRDF模型还能进一步挖掘潜力。提出一种基于地-空双光谱仪联合观测加漫射板观测并消除漫射光影响的BRDF建模方法。使用无人机搭载光谱仪进行场地光谱的低空测量,获取半球空间内多角度下的场地光谱数据,同时开展地基光谱仪联合同步测量漫射参考板,连续记录照明光场的变化以及漫射光照明下的场地光谱数据。联合空地双光谱仪对目标和参考板实测的辐亮度数据,结合太阳及观察角度之间的几何观测,计算场地的多角度反射率。基于Ross-Li核驱动半经验模型对多角度反射率数据进行拟合,采用最小二乘法对模型系数进行拟合,以得到最优的场地BRDF模型,并对模型进行漫射光校正。实验证明,经漫射光校正后的BRDF模型各波段的相对偏差均值都在5%以内,相对偏差标准差在3%以内,有效消除了场地BRDF建模在漫射光照射下的干扰,提高了BRDF建模的准确性。