基于Skew-Ray追迹法的均匀准直照明TIR透镜设计

依据LED点光源模型发光特性,以特定尺寸圆目标屏获得均匀准直照明为目标,采用Skew-Ray追迹法描述光线和设计TIR透镜,其中将透镜全反射区域进行简化处理,主要通过折射区域的双自由曲面相互配合控制光线实现照明目标。经过对透镜设计结果与1mm×1mm的LED扩展光源模型的组合进行非序列光线追迹模拟,模拟结果表明在距离光源2m范围内特定尺寸目标屏所获得光能利用率至少可达到79.6%,同时目标屏在近场和远场处照明均匀度可分别达到95.9%和83.9%,若以±1°作为光线准直半角标准,目标屏准直光线百分比可分别达到88.6%和73.8%。

光线追迹法在双折射滤光器误差分析中的应用

从单轴晶体的双折射性质出发,应用光线追迹方法,研究了滤光器系统中光的传播规律。将光线的传播方向、相位信息和振动状态用入射角、入射光方位角和晶体参量表示出来,结合偏振光的干涉原理,辅以计算机编程,分析了多种误差源对透过带形状的影响。通过与Evans离轴效应公式的对比,得到0.7%的最大相对误差,从而验证了本文方法的正确性,为滤光器的研制提供了可靠依据。

新型无象差展宽器色散量的光线追迹计算法

对无象差展宽器的结构进行了改进 ,利用光线追迹法计算了其色散量 ,分析了展宽结果与展宽器各参量的关系 ,数值模拟了飞秒脉冲的展宽过程 ,为该展宽器的优化设计与精细调节提供了依据 .

基于光线追迹法的球形大粒子的多次散射计算

基于光线追迹法模拟了球形大粒子的多次散射过程,利用菲涅耳公式建立了散射矩阵的理论表达式,并利用Matlab对计算过程进行编程。以水滴为例进行了定量计算,获得了散射功率随散射次数和散射角的分布。相关结论可用于光学大气传输的定量计算。

Monte Carlo有限元射线追迹法计算圆柱形闪烁体与光纤的耦合功率

本文建立了基于计算机模拟的蒙特卡罗有限元射线追迹法,应用该方法对不同结构尺寸的圆柱型LSO晶体和大芯径光纤耦合输出进行了模拟研究。模拟结果表明:闪烁体半径一定情况下,耦合功率增加的幅度随闪烁体厚度增加呈递减趋势,在闪烁体的厚度达到10 cm时增加闪烁体厚度,耦合功率增加趋于平缓;闪烁体厚度一定的情况下,在闪烁体的半径达到光纤立体角对应的半径后,继续增加半径,耦合功率增加幅度逐渐减少;在闪烁体的入射端面包95%的反射材料后,其耦合功率增加了90%。

基于动态向量标记法和图解追迹法解算工序尺寸的研究

阐述了工艺尺寸式法和动态向量标记法建立工艺尺寸链的原理;运用图解追迹法实现了工艺路线的自动生成、工艺尺寸链追迹图的自动绘制;针对工序基本尺寸的计算,引入易于程序实现的高斯列主元消去法。将三者应用于CAPP系统中,并进行了实例验证,结果表明,方法易程序化且可以实现工序尺寸的自动解算。

基于光线追迹法的低温辐射计光吸收腔设计

当前,工作在液氦温度的低温辐射计可以有效规避电路系统中非自发加热带来的误差,是国际上精度最高的光功率计量设备。理想低温辐射计在工作过程中,其核心器件-吸收腔对相同的热功率与电功率应当表现出相同的温升。然而对于实际情况,由于吸收腔涂层中复杂的光-物质相互作用,系统的光-电加热路径难以重合,黑体腔热传导分布的梯度差异导致误差的产生。当前国际上对光电不等效性产生的影响仍缺乏直观清晰的认知。在此,利用蒙特卡洛光线追迹方法,文中对低温辐射计吸收腔辐照度的空间分布进行了仿真。计算表明:当吸收腔斜底角控制在60°,涂层吸收率达到0.95时,系统在激光进入的第一次与第二次反射中分别吸收了98%与1.9%的能量,比例约为51.2∶1。通过在吸收腔斜底板和下侧面同时布置加热器,可实现光加热、电加热路径的耦合。进一步地,通过分别计算单加热器与双加热器布置下系统温度随时间的变化,文中证明了加热路径的不同将引入约为0.005%的光电不等效性。

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。

任意梯度折射率介质中光线追迹的仿真与分析

针对研究光线传输问题,光线在任意梯度折射率介质中的传输路径难以用解析式给出精确解,通常采用数值方法求解,而欧拉法、龙格库塔法和泰勒级数展开法,正是针对介质中光线传输进行追迹的数值方法。在对折射率离散分布介质中的光线追迹过程中,所需空间点的折射率及其梯度采用距离加权插值和Barron梯度算子进行求解。通过对任意梯度折射率介质中的光线传输进行仿真,并将仿真结果与解析解进行比较和分析,结果表明龙格库塔法的追迹精度最高,泰勒级数展开法次之,而欧拉法的相对最低;此外,光线追迹精度还受到追迹步长和插值方法精度的影响。

基于复合阵列传感器的应用射线追迹反推变压器中局部放电源

研制了将25阵元十字型超声阵列和2×2阵元特高频阵列共同构成复合阵列传感器。研究了适用于复合阵列传感器的定位算法。将特高频阵列虚拟扩展为13阵元,超声阵列虚拟扩展为193阵元。利用扩展的特高频阵列由双边相关变换算法来预估局部放电源的方位,根据预估结果再对扩展的超声阵列使用旋转信号子空间算法进行精确定向。为了提高单一阵列在局部放电定位中定向成功率和精度,以特高频信号为例,利用基于几何光学与一致性几何绕射理论的射线追迹法研究了对局部放电辐射电磁波轨迹的反演。在变压器模型中的局部放电定位试验表明,基于复合阵列传感器的定位算法对局部放电产生的宽带信号有良好的适应性,以及对局部放电辐射电磁波的追迹反演使定位精确度与成功率均远大于单一阵列的结果,发挥了特高频阵列灵敏度高而超声阵列定向精确度高的优点。

基于追迹计算的流域面源污染物入河负荷贡献率评价

基于GIS技术和改进后的输出系数法,将坡面面源产污过程与污染物迁移转化过程相耦合,提出基于追迹计算的汇流单元面源负荷贡献率评价方法。此方法可客观识别各汇流单元对河道水体污染的贡献,进而有效克服水质资料缺失的不足,并在滦河流域进行实证研究,研究结果可为流域污染治理提供参考。

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。

基于直线的全维视觉系统标定方法研究

利用空间直线的中心折反射投影的特性对全维视觉系统的标定方法进行了研究。应用光线追迹法提取空间直线折反射图像上的点,并提出一种基于最小二乘理论的二次曲线拟合方法,将其应用到直线折反射图像的拟合中,最终求出系统成像参数,完成对全维视觉系统的标定。对真实全维视觉系统的标定实验验证了该方法的实用性。

红外成像传感器建模仿真方法综述

对调制传递函数法、点扩散函数法、基于图像像素的处理方法和光线追迹法等四种常用的红外成像传感器建模仿真方法的适用范围和优缺点进行了分析和比较,并根据红外成像传感器的特点,得出了将调制传递函数法、光线追迹法和基于图像像素的处理方法相结合的仿真思路。

摄影验光法

摄影验光系Hooland于1974年首创,是应用摄影技术将视网膜及射出的光,在瞳孔区因屈光状态的不同,而表现出的不同光影拍摄下,从而检测出被检眼的屈光状态和屈光度的新方法。

基于光阻法颗粒计数器的气泡识别方法

针对在检测油液中的固体污染颗粒时,油液中产生的气泡会对其检测造成影响的问题,文中基于光阻法颗粒计数器,设计了改进的放大电路,通过该电路的放大作用,研究了一种不用消除气泡,通过输出电压来区分气泡与污染颗粒的改进的光阻法颗粒计数算法。通过Zemax软件分析光线穿过气泡后的模拟信号,以及不同工况下的光线追迹,验证了该算法的可行性。

基于相移偏折法的高反射表面面形测量技术

利用单相机所采集的图像实现了对光滑高反射表面面形的直接检测.首先利用相机获取参考平面在标准平面镜中的镜像,然后通过参考平面上的点与归一化成像平面上图像点之间的密集折返对应关系,求得待测镜面的深度距离,从而实现对高反射表面面形的测量.通过光线追迹将该测量过程转化为求解物空间中关于两对应光线束之间的相交问题.以相位为载体获取面形梯度分布,求得该表面的法向量场,并求解相应的反射光线束.通过光线追迹对该光线束与相应入射光线束求“交点”检测高反射表面.对标准平面镜进行实验检测,测量得到的面形平面度为0.19 mm.采用传统方法与本文所提方法对汽车后视镜进行检测,所得检测结果对应点之间的平均距离为0.15 mm,验证了本文方法检测镜面面形的有效性.

飞秒激光放大系统中色散补偿的光线追迹精确算法

对用于计算CPA系统色散的光线追迹法数值算法中出现的误差进行了分析。提出了变步长算法,即在研究CPA系统中高阶色散的补偿问题时,通过选择合理的步长,以减小计算高阶色散的数据振荡,这样明显提高了系统总体色散补偿的计算精度,使计算结果的相对误差从11.8%减小到1.3%,从而使系统色散能够得到更好的补偿,使算法更加完善。通过解析求导结果的检验,证明最佳步长范围为4～8h。

基于Campo布置的定日镜场分布应用研究

定日镜场子系统与塔式太阳能热发电系统的综合性能紧密相连,它是塔式太阳能热发电站中的核心子系统之一。由于定日镜场包含大量的定日镜,并且在电站建设完成后,定日镜的安置位置无法更改,所以对定日镜场的初始布局规划显得格外关键。传统的定日镜布局方式未能有效地控制发生定日镜场的能量损失。本文运用Campo布置模型,建立了基于动态规划、Camop布置和光学追迹的定日镜布置模型,计算单位镜面面积年平均输出热功率,并与传统的放射状栅格法布置下单位镜面面积年平均输出热功率进行对比。研究结果表明:当定日镜场在年平均输出热功率固定的情况下,Campo布置相较于传统的放射状栅格法布置,单位镜面面积年平均输出热功率提升了20.52%,并且极大优化了土地的使用效率。

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。