失调光学系统光线追迹公式

本文借助坐标变换，对现有的光线追迹公式进行改进，推导出一套失调光学系统的光线追迹公式。利用该套公式可以计算出光学系统存在各种失调情况下的像差值。     

GRIN光学中光线追迹的一种新方法

由哈密顿光学中的拉格朗日方程推出光线方程，用Runge—Kutta方法求解光线方程，给出光线追迹的新方法。     

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...     

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。     

衍射光学器件光线追迹公式的实验验证

本文介绍了一种衍射光学器件光线追迹的方法，并给出了计算公式。作为验证，在实验室里制作了具有连续相位的体全息器件，将其实际再现光斑与计算点列图进行比较。构造透射体全息片的物光为离轴的球面波，始于轴外点Ａ（０，１３２ｓｉｎ８°，－１３２ｃｏｓ８°），参考光为平面光束，其与Ｚ轴夹角为１７°。激光器采用氩离子激光器（Ｓｐｅｃｔｒａ－ｐｈｙｓｉｃｓＭｏｄｅｌ２０２０），波长４８８ｎｍ；干板感光胶为重铬酸明胶（ＤＣＧ），胶层厚为１５μｍ；通光口径３０ｎｍ。测试时把全息片放在干板的位置。挡住物光，让再现光以和参考光路相同的路径平行入射到全息片上，在全息片后垂直光轴放置毛玻璃片，平行光轴移动毛玻璃片，可观察到－１级衍射光的变化。在距离原点的距离分别为（ａ）４０ｍｍ，（ｂ）７０ｍｍ，（ｃ）８７ｍｍ，（ｄ）９５ｍｍ的地方用ＣＣＤ拍摄了衍射光的形状，与程序计算的点列图在形状和大小上都吻合     

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。     

晶体器件中的光线追迹法

本文以Wollaston棱镜为例将作者原先提出的晶体中光线轨迹公式用于具有多个折射面的晶体器件,阐明公式中各物理量的计算方法,把它与坐标转换关系相结合,提出了一种较简单的光线追迹法,用以研究晶体器件的象差.为晶体器件设计提供了一种新方法.     

气动光学头罩光传输数值仿真

 气动热环境下光学头罩由于受气动热效应作用,其形状和光学性质都将发生改变,从而影响头罩内的光传输。建立气动光学头罩有限元分析模型,根据热光效应和弹光效应理论,对头罩的折射率场进行数值计算,采用四阶龙格-库塔法编制光线追迹程序对气动光学头罩内红外辐射光线传输进行了数值仿真,得到了头罩光学系统出射波面波像差和调制传递函数。研究结果表明：气动热环境下热光效应对光学头罩光传输的影响远比弹光效应大,且气动光学头罩成像质量受到气动热效应的影响严重下降,为了提高高速飞行器的制导精度,不能忽视气动热对头罩光传输的影响。     

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.     

Laue弯晶聚焦特性的光线追迹研究

由于可有效降低高热负载的影响, Laue弯晶是插入件辐射高通量密度硬X射线(30 keV以上)聚焦、 准直和单色化的最有效的光学元件.研究其聚焦光学特性,对发展高性能、高稳定的Laue弯晶单色器具有重要意义. 采用自行发展的光线追迹软件较为系统地研究了Laue弯晶的聚焦特性, 分析了入射光性质及弯晶参数对聚焦光斑、焦距、发散度等主要光学参数的影响. 结果表明,衍射能量越高,聚焦光斑越小,并趋于稳定值;弯曲半径越小,聚焦光斑越小, 并在其达到一阈值时得到聚焦光斑的极小值,之后随着弯曲半径的变小,由于像差等因素的影响, 聚焦光斑反而变大;晶体越厚,聚焦光斑越大,呈线性正比关系.对于衍射光发散度, 其随着衍射能量的增大而变小,并趋于稳定值;其与晶体曲率呈线性正比关系. 同时通过研究得到弯晶各参数的合理选择范围.     

高收集率反射镜系统象质的光线追迹分析

最近沃森研制了一种高收集率反射镜系统[Cytometry 10,681—688(1989)],用以提高弱荧光探测的灵敏度。反射镜系统由一个椭球面象镜和球面后反射镜组成。荧光辐射样品放置在椭球体的一个焦点上,象成在另一个焦点上。本文用PC光线追迹程序评价了这种几何结构的象质。通过分析证实该系统有较高的收集率,但象质较差。讨论了较差象质对单分子探测的影响。     

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.     

不同光线入射角度下超声速湍流边界层气动光学效应的实验研究

利用基于纳米粒子的平面激光散射技术获取超声速(Ma=3.0)湍流边界层的密度分布,采用光线追迹方法计算其对应的光程差分布,并结合边界层气动光学相似律验证实验结果的可靠性.着重研究了光线入射角度对超声速湍流边界层气动光学效应的影响,并对其内在机理进行了分析.研究表明,气动光学效应对光线入射角度的依赖性源于光线在流场中的传输路径,传输路径的不同导致了光线在流场中的传输距离以及对应密度脉动互相关结果的差异.光线倾斜入射导致其在流场中传输距离增长,进而气动光学效应出现恶化.光线入射方向与壁面垂直方向之间的夹角越大,气动光学效应越显著,而且不同时刻的差异性增加,气动光学效应校正的难度增加.超声速湍流边界层中大量具有特定方向的涡结构导致了湍流边界层气动光学效应的各向异性.当光线倾斜向下游入射时,光线传播方向与流场中的涡结构具有较好的一致性,体现为此方向上密度脉动互相关系数较大,故气动光学效应比较严重.而当光线倾斜向上游入射时,相关系数较小,故气动光学效应较弱.     

体散射液晶导光板的光线追迹模拟

体散射集成导光板是一种新型的液晶背光照明系统设计。基于多重米氏(Mie)散射理论和蒙特卡罗(Monte Carlo)顺序抽样方法,对该类型导光板进行了光线追迹模拟计算与仿真设计。研究了填充粒子材料、粒径、浓度及导光板几何结构等光学参量对输出光强面分布均匀性、照明角度等背光性能的影响,并进行了初步的实验验证及设计评估。研究表明,各光学参量十分敏感,且相互制约,必须进行大量的优化计算才能获得符合实际需要导光板设计方案。导光板输出光面分布的均匀度主要由填充粒子浓度决定,视角特性主要由导光板尺寸,特别是底面倾角决定,色散程度则主要和填充粒子的直径和折射率有关。     

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。     

气动光学头罩热辐射效应数值仿真研究

气动热环境下高速飞行器的光学头罩由于受气动热效应作用,其温度急剧升高,产生严重的气动热辐射效应。为评估气动热环境下高速飞行器光学头罩热辐射对探测系统性能的影响,采用有限光线代表连续辐射的方法,并引入热瞳概念建立了气动光学头罩热辐射传输计算模型并对气动光学头罩自身干扰辐射光线在光学系统内的传输进行了数值仿真,考察了光学头罩温度场为非均匀分布时其自身干扰辐射在探测器接收面的辐照度分布。研究结果表明:由头罩顶点求得的热瞳是光学头罩热辐射能的公共入口,它可将光线追迹的时间减小至追迹全部光线所需时间的十几分之一;根据探测器接受面干扰辐射随时间的变化趋势可知在飞行数秒后头罩干扰辐射将淹没目标信号,气动光学头罩热辐射效应不容忽视。     

细光束在钝锥体外流场中的追迹

飞行的钝锥体外流场在密度分布上具有强烈非均匀性,这将导致其传输的细光束在远场靶面上产生偏移,从而影响其光学探测系统的作用精度。探讨并给出了任意折射率分布介质中的光线追迹方法。利用该方法对钝锥体外流场中的细光束路径进行了计算。计算结果表明：在所选位置上,锥体外流场对光线的出射角有明显的影响,但不是特别剧烈;当钝锥体表面加冷却源后,流场密度梯度变化加大,光束出射角的脱靶量明显加大。校正外流场为分析钝锥体上光学系统引入的目标脱靶量提供参考依据。     

机械刻划光栅的光线追迹方法

为了评价光栅的光谱质量,完成所设计光栅的光线追迹,针对机械刻划光栅的光线追迹提出了一种改进方法.在费马原理的基础上利用光程函数法得到入射光通过光栅后的光谱分布情况,再使用传输矩阵的计算方法构造出光谱的点列图.该方法适用于刻划在平面、球面和非球面基坯上的等间距和变间距光栅,光栅的光谱面可以为平面或者二次曲面. 通过刻划在非球面基坯上的凹面光栅验证了光线追迹方法的可靠性.     

鱼眼镜头的光路追迹

鱼眼镜头的视场角高达180或超过180°，运用通常的光路计算程序无法对鱼眼镜头进行光路追迹。本文介绍先借用尝试光线确定一个适当的起始点，然后用迭代法计算出主光线和边缘光线的位置，最后给出计算实例。     

基于局部焦距追迹计算优化的广角镜头设计方法

将焦距的内涵由零视场拓展至全视场,局部焦距可被用来表征各视场处极小视场角增量光线对应的像高增量,畸变则等效为随视场变化的局部焦距。继而,将局部焦距引入光学系统的设计过程用于畸变的表征与控制,可获得算测融合的效果。针对鱼眼镜头大视场、中央视场分辨率高且无畸变的成像目标,通过对局部焦距的追迹计算和优化控制,设计了全视场角160°,50%中央视场满足f-tanθ等线投影的鱼眼镜头。针对有限物距曲面物体复杂成像场景,通过对局部焦距的调控变换,为多种曲率半径数值的凸、凹物面设计了相应的广角镜头,满足了120°视场范围内物方等分辨率投影映射的效果。