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        光學(xué)仿真設(shè)計與挑戰(zhàn)性創(chuàng)新訓(xùn)練教學(xué)方法研討

        2021-09-16 12:22:26楊華軍蔡楊偉男鄔劭軼
        大學(xué)物理 2021年9期
        關(guān)鍵詞:棱鏡透鏡激光雷達(dá)

        江 萍,楊華軍,蔡楊偉男,鄔劭軼,秦 琰

        (電子科技大學(xué) 物理學(xué)院,四川 成都 611731)

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

        “光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計”是“應(yīng)用物理學(xué)”專業(yè)中教學(xué)和實驗的重要組成部分.日新月異的信息化社會對光學(xué)設(shè)計人才的技術(shù)研發(fā)能力和科學(xué)探索能力提出更高要求[2].光學(xué)設(shè)計理論抽象繁瑣、光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,導(dǎo)致大學(xué)生理解困難.傳統(tǒng)教學(xué)通常利用商業(yè)光學(xué)設(shè)計軟件對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,缺乏理論建模、編程實踐和科研促教環(huán)節(jié),導(dǎo)致大學(xué)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(xué)方法探討

        教學(xué)團(tuán)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(xùn)練相融合的教學(xué)模式改革,具體方法如下:

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

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

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

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

        以“光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計”課程為例,課程主要內(nèi)容包括:光學(xué)設(shè)計基礎(chǔ)理論、典型光學(xué)系統(tǒng)仿真設(shè)計、光通信前沿創(chuàng)新實踐三個板塊.每個版塊在理論教學(xué)后均設(shè)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(jìn)展,難度由低到高,設(shè)計思路如圖1所示.

        圖1 案例設(shè)計思路

        2.1 光學(xué)仿真設(shè)計案例解析

        在編程實踐環(huán)節(jié),運(yùn)用Matlab編程對典型光學(xué)系統(tǒng)(包括透射式和反射式光學(xué)系統(tǒng))進(jìn)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(xué)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用.設(shè)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(xué)目標(biāo)在于使學(xué)生熟悉非球面理論和光線追跡方法.每位同學(xué)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(jìn)行仿真.

        教師指導(dǎo)設(shè)計過程如下:基于二次曲面的等光程原理,透鏡前表面設(shè)計為橢球面,后表面設(shè)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(xué)天線優(yōu)化設(shè)計

        題目:與共軸反射式系統(tǒng)相比,離軸反射式光學(xué)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(shè)計一個離軸反射式光學(xué)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(xué)目標(biāo)在于對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計,采用分組研討的形式,每組同學(xué)提出一種設(shè)計方案并進(jìn)行編程仿真.

        教師指導(dǎo)設(shè)計過程如下:如圖3所示,一級反射鏡M1設(shè)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(xué)天線仿真結(jié)果

        3)案例3:同軸轉(zhuǎn)像棱鏡設(shè)計與望遠(yuǎn)鏡仿真

        題目:由于透射式望遠(yuǎn)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(shè)計一個包含同軸轉(zhuǎn)像棱鏡的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng),計算結(jié)構(gòu)參數(shù),對望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)進(jìn)行三維可視化仿真.

        望遠(yuǎn)鏡是光學(xué)設(shè)計課程的重點,轉(zhuǎn)向棱鏡設(shè)計是教學(xué)難點,涉及到復(fù)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(xué)提出一種棱鏡設(shè)計方案并對望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)實現(xiàn)三維可視化仿真.

        教師指導(dǎo)設(shè)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(yīng)用于長焦距物鏡的望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡三維仿真結(jié)果

        仿真設(shè)計案例2和案例3旨在指導(dǎo)本科生對復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計和三維可視化仿真.對于創(chuàng)新性和編程能力強(qiáng)的學(xué)生,組織參加大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目,對光通信科研課題展開深入研究,發(fā)表學(xué)術(shù)論文[9-13].大二同學(xué)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(xué)對環(huán)焦光學(xué)天線系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)新性設(shè)計和光傳輸性能分析[13](如圖6所示).

        環(huán)焦光學(xué)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(dá)等交叉學(xué)科前沿與實踐訓(xùn)練相結(jié)合,培養(yǎng)大學(xué)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(xué)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(jìn)行三維仿真,設(shè)計球向變折射率準(zhǔn)直透鏡.

        本案例的教學(xué)目標(biāo)在于通過開放性題目讓學(xué)生在課后自主查閱文獻(xiàn)、推導(dǎo)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(shè)計半球型準(zhǔn)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(dǎo)科研能力強(qiáng)的本科生參加大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目,對科學(xué)前沿領(lǐng)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(jìn)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(jìn)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(xiàn)[18])

        2)案例2:激光雷達(dá)三維掃描虛擬仿真

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

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

        圖9 激光雷達(dá)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(jìn)行工程實踐能力綜合訓(xùn)練和創(chuàng)新思維啟發(fā).本科生結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目,對激光雷達(dá)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(dá)掃描三維仿真

        2.3 課程考核方式

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

        3 課程建設(shè)與改革成效

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

        4 結(jié)論

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

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