中北大学
课程设计报告书
2013/2014 学年第 2 学期
学院：信息与通信工程学院
专业：光电信息工程
学生姓名：学号：
课程设计题目：基于原向反射屏的激光光幕设计与仿真起迄日期：2014.6 .6～2014.6.20
课程设计地点：主楼1420 实验室
指导教师：
系主任：
课程设计任务书
课程设计任务书
设计说明书应包括以下主要内容：
（1）封面：课程设计题目、班级、姓名、指导教师、时间
（2）设计任务书
（3）目录
（4）设计方案简介
（5）设计条件及主要参数表
（6）设计主要参数计算
（7）设计结果
（8）设计评述,设计者对本设计的评述及通过设计的收获体会（9）参考文献
目录
摘要 (6)
一、总体设计任务与要求 (7)
二、设计背景： (7)
三、总体设计方案 (8)
四、设计内容 (8)
1、单个玻璃微珠反射光路设计 (8)
2、玻璃微珠阵列反射光路设计 (9)
五、仿真结果和分析 (12)
1、能量大小分析： (12)
2、能量分布分析： (12)
3、倾角分析 (14)
4、光斑大小分析： (14)
六、总结和体会 (15)
七、主要参考文献 (15)
摘要
基于原向反射屏的激光光幕设计与仿真，本实验采用zemax作为仿真软件，采用半导体激光器模拟激光光源，利用球阵列、碗阵列构成玻璃微珠，玻璃微珠对光的回向反射性已在全息摄影、电影、交通标志等领域获得了广泛应用,根据参数要求建立激光的原向反射光路仿真，得到反射回光源处的光斑大小及能量分布情况，并由单个玻璃微珠推广到玻璃微珠阵列。
关键词：原向反射、zemax仿真、玻璃微珠
Based on the original to the reflector screen of the laser light curtain design and simulation, the experiment using zemax as simulation software, semiconductor lasers are adopted to simulate the laser light source, using a ball array, bowl array glass beads, glass beads light back to in holographic photography, film, reflective traffic signs, etc widely application, according to the parameters of their quest to establish a laser of the original to the reflected light road simulation, be reflected back to the light source of light spot size and energy distribution, and by a single glass beads glass beads to array.
Key words: the original to reflect, zemax simulation, glass beads
一、总体设计任务与要求
学习原向反射原理，掌握玻璃微珠反射特性，并根据其特性在zemax中构建玻璃微珠模型，根据参数要求建立激光的原向反射光路仿真，得到反射回光源处的光斑大小及能量分布情况，并与理论计算值做分析比较，从而为选择合适的光电探测器提供依据。
完成如下技术指标:
(1). 激光波长为650nm，功率为100mw，发散角为50°；
(2). 玻璃微珠直径为0.2mm,折射率为1.8；
(3). 光源与原向反射屏相距0.6m；
(4). 对单个玻璃微珠做原向反射仿真；
(5). 对玻璃微珠阵列做原向反射仿真；
二、设计背景：
玻璃微珠在日常的生活中已经大量使用，比如警用反光衣、反光胶带、道路、汽车、各种机械设备中，起着照明、反光、警示的作用。反光部分是运用高折射率的玻璃微珠回归反射原理，通过调焦后处理的先进工艺制成。它能将远方直射光线反射回发光处，不论在白天或黑夜均有良好的逆反射光学性能。尤其是晚上，能够发挥如同白天一样的高能见度。使用这种高能见度反光材料制成的反光胶带，无论使用者是在遥远处，还是在着光或散射光干扰的情况下，都可以比较容易地被夜间驾驶者发现。反光材料的出现顺利解决了“看到”和“被看到” 这一夜间行车难题。
本次课程设计就是在这种背景下，利用光学软件模拟、测试玻璃微珠的反射
光路、能量损失等参数。进一步了解玻璃微珠的原理和应用，很具有实际意义。
三、总体设计方案
本次设计采用光学软件zemax2005版进行光路的仿真和数据的测量，并且构建单个玻璃微珠和玻璃微珠阵列模型，利用半导体激光器作为光源，模拟激光器发出线性光，准直性、单色性好。光线的接受和能量的测量采用软件自带探测器进行。
玻璃微珠原理图如下：
光线经过球透镜汇聚，反射膜恰好放在透镜焦点处，这样反射光能够沿着原光路返回。
四、设计内容
1、单个玻璃微珠反射光路设计
设计表格如下：
采用非序列部件，半导体光源，能量0.1w，发散角50度，由球、和碗组成玻璃微珠，其中球采用折射率为1.8的玻璃，碗起到反射镜的作用，反射光线，值得注意的是要将碗的模型调整180度，紧紧扣在球模型的后面，组合好的玻璃微珠放在距离源点600mm的位置，接受屏也就是传感器放置在源点，注意要离开光源一段距离，目的是防止光源对反射光线形成干扰，这里选择传感器放置在距
离源点0.1的位置。设计表格如上图。
仿真图：
传感器屏效果：
结果分析：通过以上传感器显示图像可知，二极管光源发出线性光束，经过玻璃微珠模型发射后达到传感器，大部分光能够汇聚到原来光源处，由像屏可以看出，中间能量明显高，为1.19*10^-3w，x轴大小为13.6mm， y轴大小为17mm，周围有部分微弱光源，整体形状为圆形光斑。
2、玻璃微珠阵列反射光路设计
整体表格：
采用非序列部件，半导体光源，能量0.1w，y轴发散角50度，x轴发散角为0.0095度，由球阵列和碗阵列组成玻璃微珠，其中球采用折射率为1.8的玻璃，碗起到反射镜的作用，反射光线，值得注意的是要将碗阵列的模型调整180度，紧紧扣在球阵列模型的后面，组合好的玻璃微珠阵列放在距离源点600mm 的位置，此外，还要调整90度的角度，是阵列能够立起来，接受屏也就是传感器放置在源点，注意要离开光源一段距离，目的是防止光源对反射光线形成干扰，这里选择传感器放置在距离源点0.1的位置。设计表格如上图。
效果图：
探测器效果图探测器显示光斑位置和回路反射发散角大小：
五、仿真结果和分析
1、能量大小分析：
共测数据28组，每次沿y轴移动10mm，测得数据如下：
2、能量分布分析：
可以看出，光强随着玻璃微珠的位置移动不断减小，当光源直射时候最强。 平均能量为0.1954286m Ｗ，总光强为0.195*280=54.6 m Ｗ，可得能量损失为45.4%。
3、倾角分析
有效回向反射角的定义是反映玻璃微珠回向反射性能的重要参量。
计算可知倾角的平均值为9.4度。依公式
计算可知，发散角为9.0度，与理论值相符合。
4、光斑大小分析：
光斑大小变化呈现的趋势是从小到大，然后保持一段，再由大变小。平均光
斑大小为77mm^2。
六、总结和体会
通过本次玻璃微珠原向反射实验，了解了玻璃微珠反射的原理，建立了激光的原向反射光路仿真，得到反射回光源处的光斑大小及能量分布情况，功率损失为45.2%，与理论值有一定差距，这与数据测量时产生的误差和系统设计参数有关。参考相关论文我们得知，反射回来的光斑能量成正态分布，当折射率n<2时,玻璃微珠的回向反射性能随着折射率n值的增大而增强;当n≥2时,回向反射性能则随着折射率n值的增大而减弱(现还无n≥2的玻璃微珠应用)。有效回向反射角的定义是反映玻璃微珠回向反射性能的重要参量.在实际应用中,对有效回向反射角的不同要求,可通过选择折射率n来达到。
通过本次课程设计，使我进一步了解了zemax软件的应用，了解了玻璃微珠的原理和应用，以及其反射光斑所呈现的特点，这次课程设计历时两周，三个人分工明确，同心协力，很好的完成了本次实验。
七、主要参考文献
1、于爽, 赵冬娥, 章晓眉, 等. 玻璃微珠原向反射屏发散角测试[J]. 激光技术, 2013
2、王海林, 张登印. 基于Zemax 半导体激光器与单模光纤耦合系统设计[J]. 光子学报, 2011, 1.
3、陈国, 赵长明, 纪荣祎, 等. 基于ZEMAX 的半导体激光准直仿真设计[J]. 激光技术, 2012