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...     

基于元胞自动机的气动光学光线追迹算法

对于含激波等大密度脉动结构气动光学流场,沿着直线路径对折射率积分会带来较大的光程误差.因此,数值求解光线方程进行光线追迹是必要的.与数值求解光线方程不同,元胞自动机(cellular automata,CA)通过给定光线位置和方向变换规则来模拟光线在介质中传输路径.本文基于已有的实验测量、数值仿真所获得的高超声速流场密度场数据,分别采用数值求解光线方程法和CA光线追迹算法进行光线追迹,进而得到光线出射流场后的光程差.结果表明, CA算法对于二维气动光学流场中光线追迹的适用性,且较数值求解光线方程方法具有更高的效率.     

任意折射率的三维离散空间光线追迹方法研究

介绍了Runge-Kutta光线追迹方法,并以此作为任意折射率介质中光线追迹基本手段;针对具有折射率任意分布性质并且离散的三维流场空间,建立了流场空间任意点的折射率和折射率梯度计算方法;在追迹过程中,提出了追迹步长根据当地折射率梯度和网格几何尺寸自适应调节的思想和方法,用于提高追迹的精度和效率。结果表明,建立的光线追迹方法适用于三维离散空间折射率任意分布的光线追迹,具有较高的精度和效率。     

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。     

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。     

变折射率介质中光线追迹通用算法的研究

基于几何光学的光线折射和反射原理提出了变折射率介质中的光线追迹算法,给出了在光线追迹过程中进行递推的反射光线和折射光线的方向余弦方程;解决了空间中法线的确定和光线回转等问题。最后通过对多种不同的存在解析解的特殊折射率分布的数值解值和解析解值的比较,验证了算法的正确性,并且讨论了应用算法时应该注意的问题和算法中还有待解决的问题。该算法不但具有广泛的适用性,基本不受折射率分布的制约,而且其数值解精度达10^-5。该算法在变折射率介质的光学设计和空间成像补偿等方面有着广阔的应用前景。     

高功率激光系统鬼点空间坐标的快速定位算法

提出了一种高功率激光系统中鬼点空间坐标的快速定位算法,用于在设计阶段分析系统中的多次反射与多级衍射鬼点,以避免对系统造成危害。算法采用二叉树表示的多叉树存储鬼光束数据,同时追迹第一近轴光线和实际主光线,依据第一近轴光线确定鬼点的z坐标zg,将实际主光线与z=zg平面的交点作为实际鬼点位置。以倾斜透镜和含衍射元件的终端光学系统(FOA)为例预测了鬼点的空间坐标,经高密度实际光线追迹法验证,在所得鬼点平面相应位置确有光能聚集,表明鬼点空间坐标与实际鬼光束的密集区域相符。使用该方法在16 s内定位了含222面的激光系统的13124个鬼点。     

基于衍射追迹的集成成像重构算法

衍射受限集成成像光线追迹算法所重构的深度平面是物体深度的重聚焦图像,重构图像像质模糊,不利于物体的三维重构。针对这些问题,提出了一种基于衍射追迹的深度平面重构算法,由菲涅耳衍射公式计算物空间点源传播至成像系统各平面的光场分布,最终求得每个采样点在传感器上的光强脉冲响应,通过反解与光强脉冲响应相关的线性方程组,实现物体深度平面的图像重构。仿真结果表明,采用该方法实现的重构图像是物体的深度平面切片,而且图像像质接近于原始图像,有利于物体的三维重建。     

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。     

灵活使用光学设计程序的探讨

讨论了如何使用常规光学设计程序追迹衍射光线和计算Fθ透镜的畸变像差,从而说明灵活使用光学设计程序的意义和作用。     

反射镜热畸变对高能激光系统输出光束质量的影响

高能激光系统中,反射镜镜面热变形会使系统的输出光强和波前分布不均匀性加剧,从而导致输出光束质量的下降。建立了复杂镜面光线追迹的模型,使用Fresnel衍射公式和光线追迹的方法,研究了高能激光系统内通道不同数量22．5。反射镜对输出光束质量的影响。该方法和部分结果对高能激光系统激光器的优化设计,激光内通道冷却方式以及自适应光学校正能力设计参数的选取具有一定的参考价值。     

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.     

反射式转镜干涉光谱仪光程差计算

高分辨率反射式转镜干涉光谱仪是一种新型傅里叶变换光谱仪,它利用倾斜旋转镜的转动产生非线性的光程差(OPD).光程差的研究对于干涉光谱仪的性能指标分析、设计和研制具有重要意义.在介绍反射式转镜干涉光谱仪的原理基础上,描述了利用基于马吕斯定律的光线追迹法和基于镜面成像原理的像点法分析其光程差的方法.利用光线追迹法导出了任意...     

蒙特-卡罗法计算黑体空腔有效发射率

介绍了蒙特-卡罗法计算黑体空腔发射率的基本思想和主要算法。首先阐述了计算黑体空腔有效发射率的理论基础,然后分别从正向光线追迹和逆向光线追迹的角度对蒙特-卡罗法的具体算法予以说明,提出逆向追迹思想能方便地计算空腔的定向有效发射率,经过运算可以得到腔积分半球有效发射率和平均垂直有效发射率。最后对比了采用蒙特-卡罗法和其它方法的计算结果,分析表明：蒙特-卡罗法在计算黑体空腔有效发射率上是准确的,劣势在于计算速度慢。     

用于空间相机设计的高精度光线追迹方法

空间光学系统在应用需求牵引下,向着大尺度、高精度、复杂化等方向发展,像差随着焦距与口径的增大呈幂指数增长,微小的误差扰动就会引起像质的大幅退化,因此对光线追迹算法的精度和稳定性提出了更严苛要求.本文从误差分析理论出发,提出了光线追迹精度表示模型,依据模型分析了计算过程误差来源,并设计了高精度光线追迹算法.数值仿真实验和典型空间相机设计案例结果表明,本文方法在精度上较原有方法提高了5—6个数量级,残差平均比Zemax小近3个数量级,数值稳定性也得到了极大提升.     

红外扫描成像系统中冷像的分析和控制

提出了一种基于准近轴光线追迹的冷像噪声的快速分析方法，给出了适用于这类非对称光学系统的准近轴光线追迹公式，介绍了在光学系统自动设计阶段控制或消除冷像噪声影响的方法。这些分析和控制已全部在北京理工大学研制的ＧＯＳＡ软件中实现。     

旋转双棱镜引起的成像畸变及其校正

针对旋转双棱镜扫描成像中棱镜引起的成像畸变进行研究并通过逆向光线追迹对其实施校正。为估算畸变的特点和程度,根据视轴指向及视场尺寸确定棱镜转角和入射光方向,基于矢量形式的折射定律对视场跨度内的光线通过两棱镜实行追迹。以锗棱镜的红外成像及玻璃棱镜的可见光成像为例模拟成像变形。结果表明,图像沿着偏离系统轴的方向被压缩。偏转角越大,图像变形越突出。为校正成像畸变,从像点通过棱镜实行逆向光线追迹。针对可见光成像搭建旋转双棱镜扫描成像系统并分析其成像畸变,结果表明成像畸变的模拟预测与实验观测结果相符。无论针对模拟图像还是实际图像,逆向光线追迹都能有效地校正成像畸变,改善成像质量。该畸变分析及其校正方法对旋转双棱镜成像应用具有一定的参考价值。     

ICF系统中全息透镜聚焦特性及衍射效率分析

根据全息透镜的工作原理,利用光线追迹法对其聚焦特性进行了理论分析。使用标量衍射法分析了全息透镜的衍射效率,讨论了不同的光栅槽型对其衍射效率的影响。对分析过程中所涉及到的有关近似处理方法的使用和影响进行了说明,讨论了全息透镜用作取样光栅的优点。     

纯几何光线追迹的数值并行计算

二维光线追迹传输是光学传输工程模拟中的一个典型的数值计算问题，其计算非常复杂，随着离散化程度的增加，计算量也将极大地增加。考虑到更加复杂的全物理光线追迹模型传输结构和升级为三维光线追迹问题，其计算量更加庞大，计算时间更会剧增无疑，对此程序设计并行程序很有实际意义。