基于ZEMAX的柚果内部品质光谱无损检测光路仿真与试验

[目的]解决柚果Citrus maxima在无损检测中采集的光谱信息较弱、柚果内部品质检测不准确的问题。[方法]采用ZEMAX软件对光谱无损检测光路进行光学仿真,并搭建实物装置进行测试与验证。为进一步验证该光路对柚果内部品质的无损检测效果,采集400~1 100 nm波段132个柚果光谱数据,理化测定其可溶性固形物含量并进行训练建模和测试验证。[结果]最优光路参数为:灯珠数量为7、柚果与光源间距为2 cm,探测器与柚果间距为0.5 cm。通过Savitzky-Golay (SG)平滑和标准正态变换(Standard normal variate,SNV)预处理,竞争自适应重加权采样(Competitive adaptive reweighted sampling,CARS)特征选择,建立柚果糖度偏最小二乘回归(Partial least squares regression,PLSR)预测模型,训练集R2和RMSE分别为0.81和0.85,测试集R2和RMSE分别为0.81和0.89。[结论]本研究得到的柚果光谱无损检测光路参数可用于柚果内部品质的无损检测,检测效果较好,也为其他大尺寸水果内部无损检测提供了参考。

ZEMAX软件在工程光学课程理论和实验教学中的应用

针对工程光学概念抽象难以透彻理解、实验条件苛刻难以在短时间内得到理想实验结果等问题,将国际通用的光学仿真设计软件ZEMAX引入理论教学并辅助实验教学,有效促进了学生对抽象概念和实验原理的理解,提升了教学质量,改善了教学效果,可供其他高校工程光学课程教学参考。

基于Zemax软件的仿真实验--微光夜视物镜的设计

利用Zemax软件进行了微光夜视物镜的仿真实验。介绍了微光夜视物镜的轻量化设计需求,给出了设计方案。基于双高斯型物镜结构,利用Zemax软件优化设计得到了全球面物镜和折衍射混合物镜两种结构。通过对比分析两个物镜系统的总长、重量、成像质量等参数,结果显示两种结构的物镜都可以工作在对轻化程度要求较高的场合。通过基于Zemax软件的物镜系统仿真设计,可以使学生深刻地理解几何光学和光的衍射等相关理论知识。

基于Zemax的大视场水下成像光学系统设计

水下成像是海洋探测的重要手段,为满足海底微光以及大视场成像需求,利用光学设计软件Zemax设计了一款总长70mm,相对孔径为1/1.5,视场角为90°的水下成像光学系统。系统采用反远距结构,优化后仅由7片球面透镜和1片平板水密窗口组成,系统具有结构简单紧凑、大视场和大相对孔径等优点。设计结果表明,在各视场内,弥散斑的均方根半径均被控制在7μm范围内,且调制传递函数曲线在奈奎斯特频率为56lp/mm处的值均高于0.45,系统具有优异的成像质量。在单个探测像元内,系统的衍射能量大于90%,能量集中度高。此外,公差分析结果显示,系统具有较好的稳健性,且加工工艺易于实现。设计满足水下成像系统对大孔径和大视场的需求,具有重要的应用价值。

基于Zemax的新型匀光鳞甲反光杯系统设计

为进一步优化传统反光杯在匀光、防眩光等方面的问题,基于Zemax仿真软件设计出了一种匀光性能优越的鳞甲反光杯。仿真结果表明,在杯前25 m处的配光屏幕上,最大光照强度为234 lx,中心HV点的光照强度大于0.80 Emax,各指标均符合国标GB 25991—2010《汽车用LED前照灯》的要求。将鳞甲反光杯与微透镜阵列相结合,使配光屏幕上的最大光照强度减小至59.51 lx,在各项指标仍符合国家标准的情况下,该系统的光斑能量更加均匀,且中心区域的光强进一步降低,光斑边缘过渡更加柔和,防止汽车远光灯产生眩光的效果更好,可以大量应用于汽车前照远光灯。

基于ZEMAX的傅里叶红外多组分气体分析仪的光学设计

为了研制基于傅里叶变换红外光谱技术的多组分气体分析仪,以光学设计软件ZEMAX为基础,对组成傅里叶红外多组分气体分析仪的主要部件,包括迈克耳孙干涉仪和长光程怀特池进行了设计,同时对系统光路也进行了设计,并对其进行了仿真模拟。根据仿真结果研制的设备成功采集到红外光谱,证明光学设计完全可行,可以指导设备的研制工作。

基于ZEMAX的水质参数检测光学系统仿真设计

水质参数近红外检测具有快速、非破坏性、无需预处理的特点,是近年来的研究热点。主要探讨了700~1 100 nm波段光栅型短波近红外检测中光学系统的仿真设计及优化方法。通过Czerny-Turner分光结构的参数计算,设计光路位置参数以及光学元件尺寸结构参数;基于ZEMAX仿真软件,对光线追迹进行仿真和光路结构优化研究。基于ZEMAX光学系统的仿真优化设计,可获得结构简单、开发成本较低的光栅型短波近红外检测装置,为水质参数近红外检测小型化仪器的开发提供理论依据和技术支持。

基于Zemax仿真的红外光场成像技术

光场成像作为计算摄影学的研究方向之一,可以通过单次拍摄得到目标的四维全光信息,包括空间两维以及角度两维信息,由此可以通过多视角立体匹配原理实现三维成像。目前光场成像集中应用于可见光领域,用于其他光学成像波段的情况较为少见。本文提出基于Zemax仿真的红外光场成像技术,将光场成像系统与长波红外成像系统相结合,从光场成像原理以及长波红外成像特性出发,对长波红外光场成像系统结构设计进行了深入研究,同时为了提升三维成像的效果,分析了红外光场成像系统光学参数对深度分辨率的影响,得出深度分辨率主要由微透镜成像关系、微透镜工作F数、主透镜焦距、物距以及探测器像素尺寸确定。针对长波红外探测器像素数较少的情况选择了聚焦型光场成像系统,根据设计结果,使用Zemax仿真验证了长波红外系统与光场成像系统相结合的可行性以及理论设计的正确性。

基于ZEMAX的手机摄像镜头设计

在光学工程软件ZEMAX的辅助下,配套采用像元大小为1.75μm的CMOS图像传感器,设计了一款500万像素的手机镜头,镜头视场角60°,F/#2.8,半像高2.87 mm,镜头总长为6 mm,镜头为3P1G结构,第1、3、4片镜片采用非球面塑料,第2片镜片采用球面透镜。各个视场的横向像差均小于20μm,均方根半径(RMS Radius)都在艾利斑之内,在1/2奈奎斯特频率处绝大部分视场MTF值都大于0.6,可以获得优质的成像效果。

基于ZEMAX的半导体激光准直仿真设计

为了压缩905nm的半导体激光,以用于远程测距,采用几何光路原理,设计了由两个相互垂直的椭圆柱面透镜组成的准直系统,并在ZEMAX软件的非序列模式下实现仿真。半导体激光器快慢轴的初始发散角为30°和15°,经过柱面透镜后,半导体激光器两个方向的发散角都大大压缩;经准直后,激光束的快慢轴发散角分别为4.4mrad和3.6mrad,基本满足了远程测距的要求。结果表明,椭圆面柱透镜对半导体激光有很好的准直作用。

基于ZEMAX高功率半导体激光器光纤耦合设计

随着半导体激光器光源在激光加工领域的应用不断拓展,研制高耦合效率的半导体激光器光纤耦合模块变得十分重要。为了进一步提高光纤耦合激光二极管模块的输出功率,本文应用ZEMAX光学设计软件进行仿真模拟,将12只波长为808 nm、输出功率为10 W的单管半导体激光器通过合束方法高效率耦合进光纤。耦合光纤芯径为150μm、数值孔径为0.22,光纤输出功率为116.2 W,耦合效率为96.8%。

用ZEMAX模拟五棱镜误差对平行度检测的影响

介绍了用五棱镜法检测大口径光束平行度的原理。分析了五棱镜加工的角度误差及面形误差对检测结果的影响,得出了五棱镜角度误差不影响检测结果,2个折射面的面形误差对检测结果的影响较小,2个反射面的面形误差对检测结果影响最大的结论。介绍了选择五棱镜的方法和减小面形误差影响的方法。最后,给出了用五棱镜法检测单星模拟器出射光束平行度的应用实例。

基于ZEMAX的半导体激光器匀光设计

为了满足半导体激光器能量均匀化的应用需求,基于ZEMAX光学设计软件设计了一套光束整形匀光系统。采用非球面镜与倒置柱面镜望远系统的透镜组合对单模半导体激光器进行准直,得到近似高斯圆光斑;在推导了基模高斯强度分布的匀光投影半径的基础上,利用ZEMAX优化得到两个非球面镜组成的匀光透镜组,在一定范围内可获得能量均匀度达96%以上的圆光斑。同时,实现了一个大功率半导体激光器光纤耦合模块的能量匀化设计,满足对能量匀化要求较高的应用。结果表明,该研究为半导体激光器能量均匀化的应用提供了有效方法。

基于ZEMAX的半导体激光器非球面准直透镜设计

为了解决半导体激光器出射光束发散角大的问题,根据几何光学原理,分别针对半导体激光器弧矢和子午方向的不同发散角度建立数学模型,设计出了在两个相互垂直的方向上具有不同非球面面型的非球面透镜,并在ZEMAX光学设计软件中进行了仿真。经非球面准直透镜准直之后,半导体激光器快慢轴方向的发散角分别从35°和7.5°压缩到了1.8 mrad和0.84 mrad,在距离光源10 m处接收面上的总光功率为0.497 W,光能利用率高达99.4%。结果表明,在相互垂直的方向上具有不同面型的非球面准直透镜对半导体激光器的准直具有良好的效果。

Zemax软件在离轴三反射镜系统计算机辅助装调中的应用

利用Zemax光学设计软件与自编计算机辅助装调软件,实现了对大口径、长焦距、无中心遮拦离轴三反射镜光学系统的装调。通过Zemax软件模拟光学系统的失调模式,得到整个光学系统的波前像差,把波前像差代入到自编的复杂光学系统计算机辅助装调软件中,计算出光学系统的失调量,与引入的失调量对比,证明了其正确性。在实际的装调过程中,用小型球面干涉仪分别收集3个视场的干涉图,得到失调光学系统的失调量,用Zemax软件验证失调量数据的正确性,从而指导装调。按此方法,在波长λ=632.8nm时,得到离轴三反射镜光学系统的全视场波像差RMS值为0.108λ。该方法也可以运用到其他光学系统中。

基于ZEMAX的大视场投影镜头设计

针对大视场投影镜头的设计问题,利用ZEMAX光学设计软件,通过各种操作数对镜头的基本参数和外形尺寸进行限制,并利用镜头架构的方式进行优化及大视场投影镜头的设计。其主要光学参量为:焦距为13.6mm,全视场角为60°,相对孔径为1/1.6。设计结果表明:镜头的最大畸变量绝对值小于3%,最大场曲小于0.06mm,全视场MTF值在空间频率50lp/mm时高于0.6,基本达到衍射极限。该镜头由10片球面镜组成,光学系统结构紧凑、易加工。

Zemax与Matlab动态数据交换及其应用研究

为了将Zemax的光学系统设计和分析功能与Matlab强大的矩阵计算和数据分析功能很好地结合起来,对Matlab和Zemax的DDE(dynamic data exchange动态数据交换)通信技术进行了研究,并将其应用于计算机辅助调腔技术的数值模拟过程中。通过动态数据交换完成Matlab对Zemax的控制,实现了二者之间的数据传递,即在Matlab的控制下,实现对光学系统结构的改变,并获取输出光束的Zernike多项式系数值,从而大大方便后续数据处理工作。同理,其逆过程可以将计算得到的结果反馈到光学系统中,用于系统优化。二者的动态数据交换技术可提高研究过程中数据的可靠性和工作效率。

基于matlab和zemax模拟双透镜耦合系统

为提高端面泵浦高功率光纤激光器的输出功率,本文采用提高泵浦光耦合效率的方法来实现。在比较了其他类型的耦合系统之后,采用双透镜耦合系统;理论上分析了半导体激光光源输出的多模激光光束经过双透镜耦合系统的传输变换规律,利用matlab编程数值模拟得到了耦合系统的初始结构参数,在模拟得到的初始结构基础上,采用zemax软件多次优化,最终实现了93%的高效率耦合系统。该耦合系统是在考虑像差的情况下得到的,相比由matlab模拟得到的不考虑像差的系统更具有参考价值。

基于ZEMAX软件的重叠复眼的模拟与分析

介绍了重叠复眼及其优点。与并列型复眼相比,重叠复眼有更高的光能量利用率和更高的灵敏度。首次利用ZEMAX软件对重叠复眼进行了实例模拟,通过光线追迹,详细分析了其工作原理,并且将重叠复眼与并列复眼在灵敏度和光能量利用率两方面进行了对比,得到了前者比后者有更高的光能量利用率和灵敏度的结论。

ZEMAX模拟中子相衬成像研究

相衬成像是中子成像领域内的前沿技术,它的成像机理基于中子束的波动性。进行中子相衬成像研究,有必要对这一过程进行仿真计算,但目前尚无模拟中子波动行为的程序出现,本文探讨了利用光学仿真软件ZEMAX对热中子相衬成像过程进行模拟的可行性,介绍了具体的模拟过程和结果,研究了不同的物源距离、物屏距离、点中子源尺寸以及样品尺寸对最终成像结果的影响。仿真结果和理论较为接近,这表明使用该软件模拟中子相衬成像是具有一定的可行性的。