Solidworks在幾何光學中的應用

光聯通訊技術有限公司珠海519100 賀譚斌 賀莎 陳曉紅

Solidworks在幾何光學中的應用

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傳統的幾何光學主要包括三大定律:光是沿直線傳播、反射定律與折射定律。這三大定律在Solidworks中的具體體現是:所畫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,利用折射公式計算出折射角,就可以很好的把光學三個定律用三維軟件編寫出來。

Solidworks幾何光學C透鏡光路模擬

隨著計算機技術的發展,三維、圖形軟件的出現不僅促進了傳統機械加工的發展,同時在各個行業也得到了較好的發展與應用。如:動畫設計、服裝設計、游戲開發、工業設計、建筑與航空業等都有了相當廣泛的應用。

激光的出現為現代光學提供了很好的發展機遇。同時傳統光學與現代計算機技術相結合,也給了幾何光學帶來了一次飛躍的機遇。Solidworks是美國Solidworks公司開發的三維CAD產品,是實行數字化設計的造型軟件,在國際上得到廣泛的應用。同時具有開放的系統,添加各種插件后,可實現產品的三維建模、裝配校驗、運動仿真、有限元分析、加工仿真、數控加工及加工工藝的制定,以保證產品從設計、工程分析、工藝分析、加工模擬、產品躬行過程中的數據的一致性,從而真正實現產品的數字化設計和制造,并大幅提高產品的設計效率和質量。

一款在機械設計方面用的非常廣的軟件,由于其簡單的操作與方便的用戶界面,在建筑與航空設計方面也用很廣泛的運用。所以我們可以利用Solidworks對幾何光學進行更進一步的了解。

傳統的幾何光學主要包括三大定律: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中的具體體現是:所畫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;利用折射公式可畫出折射角。利用上述的基本原理,就可以很好的把光學三個定律用Solidworks軟件編寫出來。熟悉以上操作后我們還需根據實際情況,對軟件所提供的功能做進行一步和利用。

圖一 Solidworks畫出的平面圖

由于光學平面或所成的入射角是不同的,故所畫圖如果不能隨入射條件的改變而改變,那么就會失去了直觀、方便的優點。同時智能化也是Solidworks用于幾何光學的一大亮點。很多熟悉Solidworks的人都會知道,它還有一個較好的功能就是能添加方程式--也就是說把光學方程添加到程序中,根據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顯示的計算公式

上圖中,標注時出現了Σ符號時,代表標注是被賦予了公式--即改變我們設定的變量后,帶Σ符號的尺寸會有相對應關系的變化。因此如果我們也可以把折射定律輸入到軟件中,就可以查看具體會影響哪些參數。具體應用見下例子:

例一:我們設n1=1;n2=2;并在圖中注明入射角、出射角和折射角(如圖三),這里設定好角度與公式后,可以與理論值進行對比。兩者的結果相接近。如圖四所示,我們改變入射角時角度為20℃時,折射角與反射角都做出了相應的變化。所示的結果也與理論計算值相吻合。

圖三 Solidworks的計算一

圖四 Solidworks的計算二

從例一我們可以看到,幾何光學的三大定律可以用Solidworks進行模擬與計算。并且出來的圖像更直觀,更形象。對于簡單的計算可能體現不出其優越性,因此例二中,我們會選擇相對復雜的準直器成像原因進行研究。

例二:我光學設計中我們常用遇到C透鏡成像的問題。在光通訊方面,由于與G透鏡相比,C透鏡具有極大的價格優勢,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值。C透鏡多數用于準直器中,但不同透鏡的曲率半徑,長度等都有會影響成向光的特性。在這情況下我們引進Solidworks對其進行模擬,則可認研究者更好的認識到光的成像等物性:

圖五 Solidworks模擬準直器像一

由上圖我們可以看出,光線經過透鏡后會聚成一個點,這個點就是半工作距離;不同方向的光線會聚的點不同,這就是我們所說的球差;其光線的軌跡見圖四:

當我們改變纖芯的焦距時,其球差現象更加嚴重,所成像的焦點也有所改變;就解釋了為什么準直器的工作距離是可調的,且同時也說明了工作距離越長,其成像引入的球差對器件的插入損耗影響就越大。其IL影響可再另算出,此處不詳細說明。

圖六 Solidworks模擬準直器像二

圖七 球差的測量

由上例可見,三維軟件對光的模擬能讓學者更好的理解光學元器件成像的特點。并能實時的對成像系統進行分析,這大大加深研究者對成像質量的分析。同時由于是利用了幾何光學成像,因此在三維軟件中,我們可以測出精確的參數,如交點距離,球差范圍等進行測量。

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