光学仿真设计与挑战性创新训练教学方法研讨

2021-09-16杨华军蔡杨伟男邬劭轶

大学物理 2021年9期

江萍，杨华军，蔡杨伟男，邬劭轶，秦琰

(电子科技大学物理学院，四川成都 611731)

以教育部“实施强基计划，培养拔尖创新人才”文件精神为引领[1]，落实电子科技大学“应用物理强基计划”的培养目标，为从事光信息技术、纳米光子学、光电材料、智能科技和国家安全等国家战略需求领域科学与工程技术研究提供人才储备.

“光学系统设计”是“应用物理学”专业中教学和实验的重要组成部分.日新月异的信息化社会对光学设计人才的技术研发能力和科学探索能力提出更高要求[2].光学设计理论抽象繁琐、光学系统结构复杂,导致大学生理解困难.传统教学通常利用商业光学设计软件对光学系统进行仿真，缺乏理论建模、编程实践和科研促教环节，导致大学生编程仿真能力和挑战性创新能力培养不足[3-6].

1 教学方法探讨

教学团队对专业核心课程实施了理论建模与编程仿真相融合、科技前沿与实践训练相融合的教学模式改革，具体方法如下：

1) 在教学手段上通过三维可视化仿真，使复杂、抽象、烦琐的概念和方法变得直观、具体、明了，克服大学生在理论学习中理解上的困难.

2) 在实践训练中以科研项目为驱动，将科技前沿与理论教学深度融合，通过仿真设计案例开展分组研讨，加强大学生编程仿真能力训练；鼓励优秀学生参加“985高校”大学生创新训练项目，对前沿课题展开深入研究，发表学术论文.

3) 在缺乏实验验证的条件下基于Matlab构建光学实验的虚拟仿真平台，利用仿真结果指导实际实验，通过挑战性创新案例对大学生进行工程实践综合训练[7,8].

2 光学仿真设计与挑战性创新案例解析

以“光学系统设计”课程为例，课程主要内容包括：光学设计基础理论、典型光学系统仿真设计、光通信前沿创新实践三个板块.每个版块在理论教学后均设置了实践案例，题目均来源于科研项目以及PRL、OE等期刊论文和光通信前沿最新研究进展，难度由低到高，设计思路如图1所示.

图1 案例设计思路

2.1 光学仿真设计案例解析

在编程实践环节，运用Matlab编程对典型光学系统(包括透射式和反射式光学系统)进行理论建模与可视化仿真.

1)案例1：非球面耦合透镜仿真

题目：非球面，即与球面有偏离的表面，可显著提高成像质量，减小结构尺寸，在光学系统中得到广泛应用.设计一个旋转对称非球面耦合透镜，计算结构参数，实现平行光束完善成像.

本案例的教学目标在于使学生熟悉非球面理论和光线追迹方法.每位同学须根据案例要求计算结构参数，包括面型、厚度和焦距等并进行仿真.

教师指导设计过程如下：基于二次曲面的等光程原理，透镜前表面设计为椭球面，后表面设计为球面，椭球面的右焦点与球面的球心重合.平面波入射后聚焦到透镜后表面的球心处，实现完善成像，仿真结果如图2所示.

图2 非球面耦合透镜的光线追迹仿真结果

2)案例2：离轴反射式光学天线优化设计

题目：与共轴反射式系统相比，离轴反射式光学系统具有无中心遮挡、视场角大、成像质量接近衍射极限等优点.设计一个离轴反射式光学天线，实现对不同视场角(0～10°)光线接近衍射极限成像.

本案例的教学目标在于对光学系统进行创新性设计，采用分组研讨的形式，每组同学提出一种设计方案并进行编程仿真.

教师指导设计过程如下：如图3所示，一级反射镜M1设计为抛物面，二级反射镜M2为双曲面，三级反射镜M3为椭球面.M1和M2共焦于点Q，M2和M3共焦于点P.将M1绕焦点Q顺时针旋转实现对不同视场角光线在焦平面N处接近衍射极限成像.

图3 离轴反射式光学天线仿真结果

3)案例3：同轴转像棱镜设计与望远镜仿真

题目：由于透射式望远镜通常成倒立像，加入一个转像棱镜可实现转像和折叠光路的功能，并且入射光束和出射光束保持在同一个光轴上以便装调.设计一个包含同轴转像棱镜的望远镜系统，计算结构参数，对望远镜系统进行三维可视化仿真.

望远镜是光学设计课程的重点，转向棱镜设计是教学难点，涉及到复杂的三维空间点线面的计算.本案例采用分组研讨的形式，每组同学提出一种棱镜设计方案并对望远镜系统实现三维可视化仿真.

教师指导设计过程如下：将施密特屋脊棱镜和半五角棱镜组成同轴转像棱镜，即汉别型屋脊棱镜系统.利用空间解析几何和矢量折反射理论构建系统模型，实现入射光束和出射光束的手征特性相反.

由于棱镜系统中折叠部分光路，将其应用于长焦距物镜的望远镜中，三维仿真结果如图4所示.

图4 包含同轴转向屋脊棱镜的望远镜三维仿真结果

仿真设计案例2和案例3旨在指导本科生对复杂光学系统进行创新性设计和三维可视化仿真.对于创新性和编程能力强的学生，组织参加大学生创新训练项目，对光通信科研课题展开深入研究，发表学术论文[9-13].大二同学将卡塞格伦天线和耦合透镜相结合构建了光通信系统[9](如图5所示).

卡塞格伦发射天线、接收天线及耦合系统仿真结果

大三同学对环焦光学天线系统进行了创新性设计和光传输性能分析[13](如图6所示).

环焦光学天线系统三维仿真结果

2.2 挑战性创新案例解析

在挑战性创新实践环节中，将空间光通信、光电材料、激光雷达等交叉学科前沿与实践训练相结合，培养大学生创新实践与前沿挑战能力.

1)案例1：球向变折射率微透镜仿真

题目：变折射率介质是一种非均匀介质，可改善光学仪器的性能.具有球向变折射率分布的微透镜称为“鱼眼透镜”.自查资料对“鱼眼透镜”中光传输进行三维仿真，设计球向变折射率准直透镜.

本案例的教学目标在于通过开放性题目让学生在课后自主查阅文献、推导公式、编程仿真并撰写论文，亲历科研全过程,对于本科生具有较高的挑战性.“鱼眼透镜”可实现介质表面或内部任意一点的完美成像.基于该性质设计半球型准直透镜，三维仿真结果如图7所示.

图7 球向变折射率微透镜光线追迹仿真结果

基于该挑战性创新案例，指导科研能力强的本科生参加大学生创新训练项目，对科学前沿领域的一维、二维光子晶体材料以及光子晶体光纤中光传输特性进行深入研究，发表SCI论文[14-18].

本科生对新型二元一维光子晶体材料进行了理论建模、数值计算与仿真分析[18](如图8所示).

图8 二元一维光子晶体材料的建模与分析(此图取自文献[18])

2)案例2：激光雷达三维扫描虚拟仿真

题目：激光雷达系统具备在复杂环境下的三维成像能力和运动目标检测与感知能力，广泛应用于无接触三维测量、运动分析、自动驾驶等智能设备中.编程实现不同扫描形式的激光雷达三维成像，对地表形态进行三维重构.

本案例教学实践采用分组研讨的形式，教师基于Matlab构建激光雷达三维扫描虚拟仿真平台(如图9所示)，各组学生均可利用该平台，或采用自主编程的形式进行计算机模拟.

图9 激光雷达三维扫描虚拟仿真平台

该案例旨在突破实验条件的限制，进行工程实践能力综合训练和创新思维启发.本科生结合大学生创新训练项目，对激光雷达三维成像展开了深入研究，发表SCI论文[19](如图10所示).

激光雷达扫描三维仿真

2.3 课程考核方式

通过学生课堂案例完成情况、小组讨论表现、课后作业、课程设计论文等多元化形式对学生的学习过程进行全方位考核.

3 课程建设与改革成效

教学团队将光学仿真设计与挑战性创新训练教学方法应用于“光通信技术”、“数学物理方法”等专业核心课程群，经过十余年的教学研究与实践，获得四川省第七届教学成果奖二等奖(2013年)，电子科技大学第七届(2012年)、第八届(2016年)和第九届(2020年)教学成果奖一等奖.出版四川省“十二五”规划教材《数学物理方法与仿真》.结合大学生创新训练项目，近年来指导大学生发表SCI论文十余篇[9-19].