光聯(lián)通訊技術(shù)有限公司珠海519100 賀譚斌 賀莎 陳曉紅

Solidworks在幾何光學(xué)中的應(yīng)用

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傳統(tǒng)的幾何光學(xué)主要包括三大定律:光是沿直線傳播、反射定律與折射定律。這三大定律在Solidworks中的具體體現(xiàn)是:所畫(huà)直線代表光的傳播方向,入射角與出射角相等代表光的折射定律,利用折射公式計(jì)算出折射角,就可以很好的把光學(xué)三個(gè)定律用三維軟件編寫(xiě)出來(lái)。

Solidworks幾何光學(xué)C透鏡光路模擬

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,三維、圖形軟件的出現(xiàn)不僅促進(jìn)了傳統(tǒng)機(jī)械加工的發(fā)展,同時(shí)在各個(gè)行業(yè)也得到了較好的發(fā)展與應(yīng)用。如:動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)、服裝設(shè)計(jì)、游戲開(kāi)發(fā)、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑與航空業(yè)等都有了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。

激光的出現(xiàn)為現(xiàn)代光學(xué)提供了很好的發(fā)展機(jī)遇。同時(shí)傳統(tǒng)光學(xué)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合,也給了幾何光學(xué)帶來(lái)了一次飛躍的機(jī)遇。Solidworks是美國(guó)Solidworks公司開(kāi)發(fā)的三維CAD產(chǎn)品,是實(shí)行數(shù)字化設(shè)計(jì)的造型軟件,在國(guó)際上得到廣泛的應(yīng)用。同時(shí)具有開(kāi)放的系統(tǒng),添加各種插件后,可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的三維建模、裝配校驗(yàn)、運(yùn)動(dòng)仿真、有限元分析、加工仿真、數(shù)控加工及加工工藝的制定,以保證產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、工程分析、工藝分析、加工模擬、產(chǎn)品躬行過(guò)程中的數(shù)據(jù)的一致性,從而真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造,并大幅提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

一款在機(jī)械設(shè)計(jì)方面用的非常廣的軟件,由于其簡(jiǎn)單的操作與方便的用戶(hù)界面,在建筑與航空設(shè)計(jì)方面也用很廣泛的運(yùn)用。所以我們可以利用Solidworks對(duì)幾何光學(xué)進(jìn)行更進(jìn)一步的了解。

傳統(tǒng)的幾何光學(xué)主要包括三大定律:光是沿直線傳播的、反射定律與折射定律。這三大定律在Solid2 works中的具體體現(xiàn)是:所畫(huà)直線代表光的傳播方向;入射角與出射角相等代表光的反射定律;利用折射公式可畫(huà)出折射角。利用上述的基本原理,就可以很好的把光學(xué)三個(gè)定律用Solidworks軟件編寫(xiě)出來(lái)。熟悉以上操作后我們還需根據(jù)實(shí)際情況,對(duì)軟件所提供的功能做進(jìn)行一步和利用。

圖一 Solidworks畫(huà)出的平面圖

由于光學(xué)平面或所成的入射角是不同的,故所畫(huà)圖如果不能隨入射條件的改變而改變,那么就會(huì)失去了直觀、方便的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)智能化也是Solidworks用于幾何光學(xué)的一大亮點(diǎn)。很多熟悉Solidworks的人都會(huì)知道,它還有一個(gè)較好的功能就是能添加方程式--也就是說(shuō)把光學(xué)方程添加到程序中,根據(jù)條件的改變從而改變光路。在上面的平圖中我們令向上的光線為入射光,射向左上方的光線為出射光線。分別標(biāo)出兩光線的夾角,并在出射角添加方程令出射角等于入射角。如圖二所示:

圖二 Solidworks顯示的計(jì)算公式

上圖中,標(biāo)注時(shí)出現(xiàn)了Σ符號(hào)時(shí),代表標(biāo)注是被賦予了公式--即改變我們?cè)O(shè)定的變量后,帶Σ符號(hào)的尺寸會(huì)有相對(duì)應(yīng)關(guān)系的變化。因此如果我們也可以把折射定律輸入到軟件中,就可以查看具體會(huì)影響哪些參數(shù)。具體應(yīng)用見(jiàn)下例子:

例一:我們?cè)O(shè)n1=1;n2=2;并在圖中注明入射角、出射角和折射角(如圖三),這里設(shè)定好角度與公式后,可以與理論值進(jìn)行對(duì)比。兩者的結(jié)果相接近。如圖四所示,我們改變?nèi)肷浣菚r(shí)角度為20℃時(shí),折射角與反射角都做出了相應(yīng)的變化。所示的結(jié)果也與理論計(jì)算值相吻合。

圖三 Solidworks的計(jì)算一

圖四 Solidworks的計(jì)算二

從例一我們可以看到,幾何光學(xué)的三大定律可以用Solidworks進(jìn)行模擬與計(jì)算。并且出來(lái)的圖像更直觀,更形象。對(duì)于簡(jiǎn)單的計(jì)算可能體現(xiàn)不出其優(yōu)越性,因此例二中,我們會(huì)選擇相對(duì)復(fù)雜的準(zhǔn)直器成像原因進(jìn)行研究。

例二:我光學(xué)設(shè)計(jì)中我們常用遇到C透鏡成像的問(wèn)題。在光通訊方面,由于與G透鏡相比,C透鏡具有極大的價(jià)格優(yōu)勢(shì),所以其用的范圍更廣。這樣就突出了C透鏡的重要性與研究的價(jià)值。C透鏡多數(shù)用于準(zhǔn)直器中,但不同透鏡的曲率半徑,長(zhǎng)度等都有會(huì)影響成向光的特性。在這情況下我們引進(jìn)Solidworks對(duì)其進(jìn)行模擬,則可認(rèn)研究者更好的認(rèn)識(shí)到光的成像等物性:

圖五 Solidworks模擬準(zhǔn)直器像一

由上圖我們可以看出,光線經(jīng)過(guò)透鏡后會(huì)聚成一個(gè)點(diǎn),這個(gè)點(diǎn)就是半工作距離;不同方向的光線會(huì)聚的點(diǎn)不同,這就是我們所說(shuō)的球差;其光線的軌跡見(jiàn)圖四:

當(dāng)我們改變纖芯的焦距時(shí),其球差現(xiàn)象更加嚴(yán)重,所成像的焦點(diǎn)也有所改變;就解釋了為什么準(zhǔn)直器的工作距離是可調(diào)的,且同時(shí)也說(shuō)明了工作距離越長(zhǎng),其成像引入的球差對(duì)器件的插入損耗影響就越大。其IL影響可再另算出,此處不詳細(xì)說(shuō)明。

圖六 Solidworks模擬準(zhǔn)直器像二

圖七 球差的測(cè)量

由上例可見(jiàn),三維軟件對(duì)光的模擬能讓學(xué)者更好的理解光學(xué)元器件成像的特點(diǎn)。并能實(shí)時(shí)的對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行分析,這大大加深研究者對(duì)成像質(zhì)量的分析。同時(shí)由于是利用了幾何光學(xué)成像,因此在三維軟件中,我們可以測(cè)出精確的參數(shù),如交點(diǎn)距離,球差范圍等進(jìn)行測(cè)量。

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