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        光學仿真設計與挑戰(zhàn)性創(chuàng)新訓練教學方法研討

        2021-09-16 12:22:26楊華軍蔡楊偉男鄔劭軼
        大學物理 2021年9期
        關鍵詞:棱鏡透鏡激光雷達

        江 萍,楊華軍,蔡楊偉男,鄔劭軼,秦 琰

        (電子科技大學 物理學院,四川 成都 611731)

        以教育部“實施強基計劃,培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才”文件精神為引領[1],落實電子科技大學“應用物理強基計劃”的培養(yǎng)目標,為從事光信息技術(shù)、納米光子學、光電材料、智能科技和國家安全等國家戰(zhàn)略需求領域科學與工程技術(shù)研究提供人才儲備.

        “光學系統(tǒng)設計”是“應用物理學”專業(yè)中教學和實驗的重要組成部分.日新月異的信息化社會對光學設計人才的技術(shù)研發(fā)能力和科學探索能力提出更高要求[2].光學設計理論抽象繁瑣、光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜,導致大學生理解困難.傳統(tǒng)教學通常利用商業(yè)光學設計軟件對光學系統(tǒng)進行仿真,缺乏理論建模、編程實踐和科研促教環(huán)節(jié),導致大學生編程仿真能力和挑戰(zhàn)性創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足[3-6].

        1 教學方法探討

        教學團隊對專業(yè)核心課程實施了理論建模與編程仿真相融合、科技前沿與實踐訓練相融合的教學模式改革,具體方法如下:

        1) 在教學手段上通過三維可視化仿真,使復雜、抽象、煩瑣的概念和方法變得直觀、具體、明了,克服大學生在理論學習中理解上的困難.

        2) 在實踐訓練中以科研項目為驅(qū)動,將科技前沿與理論教學深度融合,通過仿真設計案例開展分組研討,加強大學生編程仿真能力訓練;鼓勵優(yōu)秀學生參加“985高校”大學生創(chuàng)新訓練項目,對前沿課題展開深入研究,發(fā)表學術(shù)論文.

        3) 在缺乏實驗驗證的條件下基于Matlab構(gòu)建光學實驗的虛擬仿真平臺,利用仿真結(jié)果指導實際實驗,通過挑戰(zhàn)性創(chuàng)新案例對大學生進行工程實踐綜合訓練[7,8].

        2 光學仿真設計與挑戰(zhàn)性創(chuàng)新案例解析

        以“光學系統(tǒng)設計”課程為例,課程主要內(nèi)容包括:光學設計基礎理論、典型光學系統(tǒng)仿真設計、光通信前沿創(chuàng)新實踐三個板塊.每個版塊在理論教學后均設置了實踐案例,題目均來源于科研項目以及PRL、OE等期刊論文和光通信前沿最新研究進展,難度由低到高,設計思路如圖1所示.

        圖1 案例設計思路

        2.1 光學仿真設計案例解析

        在編程實踐環(huán)節(jié),運用Matlab編程對典型光學系統(tǒng)(包括透射式和反射式光學系統(tǒng))進行理論建模與可視化仿真.

        1)案例1:非球面耦合透鏡仿真

        題目:非球面,即與球面有偏離的表面,可顯著提高成像質(zhì)量,減小結(jié)構(gòu)尺寸,在光學系統(tǒng)中得到廣泛應用.設計一個旋轉(zhuǎn)對稱非球面耦合透鏡,計算結(jié)構(gòu)參數(shù),實現(xiàn)平行光束完善成像.

        本案例的教學目標在于使學生熟悉非球面理論和光線追跡方法.每位同學須根據(jù)案例要求計算結(jié)構(gòu)參數(shù),包括面型、厚度和焦距等并進行仿真.

        教師指導設計過程如下:基于二次曲面的等光程原理,透鏡前表面設計為橢球面,后表面設計為球面,橢球面的右焦點與球面的球心重合.平面波入射后聚焦到透鏡后表面的球心處,實現(xiàn)完善成像,仿真結(jié)果如圖2所示.

        圖2 非球面耦合透鏡的光線追跡仿真結(jié)果

        2)案例2:離軸反射式光學天線優(yōu)化設計

        題目:與共軸反射式系統(tǒng)相比,離軸反射式光學系統(tǒng)具有無中心遮擋、視場角大、成像質(zhì)量接近衍射極限等優(yōu)點.設計一個離軸反射式光學天線,實現(xiàn)對不同視場角(0~10°)光線接近衍射極限成像.

        本案例的教學目標在于對光學系統(tǒng)進行創(chuàng)新性設計,采用分組研討的形式,每組同學提出一種設計方案并進行編程仿真.

        教師指導設計過程如下:如圖3所示,一級反射鏡M1設計為拋物面,二級反射鏡M2為雙曲面,三級反射鏡M3為橢球面.M1和M2共焦于點Q,M2和M3共焦于點P.將M1繞焦點Q順時針旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)對不同視場角光線在焦平面N處接近衍射極限成像.

        圖3 離軸反射式光學天線仿真結(jié)果

        3)案例3:同軸轉(zhuǎn)像棱鏡設計與望遠鏡仿真

        題目:由于透射式望遠鏡通常成倒立像,加入一個轉(zhuǎn)像棱鏡可實現(xiàn)轉(zhuǎn)像和折疊光路的功能,并且入射光束和出射光束保持在同一個光軸上以便裝調(diào).設計一個包含同軸轉(zhuǎn)像棱鏡的望遠鏡系統(tǒng),計算結(jié)構(gòu)參數(shù),對望遠鏡系統(tǒng)進行三維可視化仿真.

        望遠鏡是光學設計課程的重點,轉(zhuǎn)向棱鏡設計是教學難點,涉及到復雜的三維空間點線面的計算.本案例采用分組研討的形式,每組同學提出一種棱鏡設計方案并對望遠鏡系統(tǒng)實現(xiàn)三維可視化仿真.

        教師指導設計過程如下:將施密特屋脊棱鏡和半五角棱鏡組成同軸轉(zhuǎn)像棱鏡,即漢別型屋脊棱鏡系統(tǒng).利用空間解析幾何和矢量折反射理論構(gòu)建系統(tǒng)模型,實現(xiàn)入射光束和出射光束的手征特性相反.

        由于棱鏡系統(tǒng)中折疊部分光路,將其應用于長焦距物鏡的望遠鏡中,三維仿真結(jié)果如圖4所示.

        圖4 包含同軸轉(zhuǎn)向屋脊棱鏡的望遠鏡三維仿真結(jié)果

        仿真設計案例2和案例3旨在指導本科生對復雜光學系統(tǒng)進行創(chuàng)新性設計和三維可視化仿真.對于創(chuàng)新性和編程能力強的學生,組織參加大學生創(chuàng)新訓練項目,對光通信科研課題展開深入研究,發(fā)表學術(shù)論文[9-13].大二同學將卡塞格倫天線和耦合透鏡相結(jié)合構(gòu)建了光通信系統(tǒng)[9](如圖5所示).

        卡塞格倫發(fā)射天線、接收天線及耦合系統(tǒng)仿真結(jié)果

        大三同學對環(huán)焦光學天線系統(tǒng)進行了創(chuàng)新性設計和光傳輸性能分析[13](如圖6所示).

        環(huán)焦光學天線系統(tǒng)三維仿真結(jié)果

        2.2 挑戰(zhàn)性創(chuàng)新案例解析

        在挑戰(zhàn)性創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)中,將空間光通信、光電材料、激光雷達等交叉學科前沿與實踐訓練相結(jié)合,培養(yǎng)大學生創(chuàng)新實踐與前沿挑戰(zhàn)能力.

        1)案例1:球向變折射率微透鏡仿真

        題目:變折射率介質(zhì)是一種非均勻介質(zhì),可改善光學儀器的性能.具有球向變折射率分布的微透鏡稱為“魚眼透鏡”.自查資料對“魚眼透鏡”中光傳輸進行三維仿真,設計球向變折射率準直透鏡.

        本案例的教學目標在于通過開放性題目讓學生在課后自主查閱文獻、推導公式、編程仿真并撰寫論文,親歷科研全過程,對于本科生具有較高的挑戰(zhàn)性.“魚眼透鏡”可實現(xiàn)介質(zhì)表面或內(nèi)部任意一點的完美成像.基于該性質(zhì)設計半球型準直透鏡,三維仿真結(jié)果如圖7所示.

        圖7 球向變折射率微透鏡光線追跡仿真結(jié)果

        基于該挑戰(zhàn)性創(chuàng)新案例,指導科研能力強的本科生參加大學生創(chuàng)新訓練項目,對科學前沿領域的一維、二維光子晶體材料以及光子晶體光纖中光傳輸特性進行深入研究,發(fā)表SCI論文[14-18].

        本科生對新型二元一維光子晶體材料進行了理論建模、數(shù)值計算與仿真分析[18](如圖8所示).

        圖8 二元一維光子晶體材料的建模與分析(此圖取自文獻[18])

        2)案例2:激光雷達三維掃描虛擬仿真

        題目:激光雷達系統(tǒng)具備在復雜環(huán)境下的三維成像能力和運動目標檢測與感知能力,廣泛應用于無接觸三維測量、運動分析、自動駕駛等智能設備中.編程實現(xiàn)不同掃描形式的激光雷達三維成像,對地表形態(tài)進行三維重構(gòu).

        本案例教學實踐采用分組研討的形式,教師基于Matlab構(gòu)建激光雷達三維掃描虛擬仿真平臺(如圖9所示),各組學生均可利用該平臺,或采用自主編程的形式進行計算機模擬.

        圖9 激光雷達三維掃描虛擬仿真平臺

        該案例旨在突破實驗條件的限制,進行工程實踐能力綜合訓練和創(chuàng)新思維啟發(fā).本科生結(jié)合大學生創(chuàng)新訓練項目,對激光雷達三維成像展開了深入研究,發(fā)表SCI論文[19](如圖10所示).

        激光雷達掃描三維仿真

        2.3 課程考核方式

        通過學生課堂案例完成情況、小組討論表現(xiàn)、課后作業(yè)、課程設計論文等多元化形式對學生的學習過程進行全方位考核.

        3 課程建設與改革成效

        教學團隊將光學仿真設計與挑戰(zhàn)性創(chuàng)新訓練教學方法應用于“光通信技術(shù)”、“數(shù)學物理方法”等專業(yè)核心課程群,經(jīng)過十余年的教學研究與實踐,獲得四川省第七屆教學成果獎二等獎(2013年),電子科技大學第七屆(2012年)、第八屆(2016年)和第九屆(2020年)教學成果獎一等獎.出版四川省“十二五”規(guī)劃教材《數(shù)學物理方法與仿真》.結(jié)合大學生創(chuàng)新訓練項目,近年來指導大學生發(fā)表SCI論文十余篇[9-19].

        4 結(jié)論

        教學團隊通過三維可視化仿真實現(xiàn)教學手段創(chuàng)新;通過仿真實踐案例,加強大學生編程仿真能力訓練;構(gòu)建光學實驗虛擬仿真平臺,通過挑戰(zhàn)性創(chuàng)新案例對大學生進行工程實踐能力綜合訓練和創(chuàng)新思維的啟發(fā).該方法取得了顯著的教學效果,對同類高校專業(yè)核心課程教學改革具有一定的參考意義.

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