光学成像系统 Part VII - 仿真实例

一、仿真案例分析

     此仿真主要针对在 LD 激光器通过非球面透镜整形后，通过鲍威尔棱镜将整形后的激光光束转化为线激光，通过线激光传输到达物体表面上之后发生了反射过程，而相关的反射过程参数取决于BRDF数据或者微表面模型，通过反射之后的光束通过镜头成像模组在CMOS成像，从而建立了完整的光束流过程。

1. 几何构造

     通过几何设计完成激光器、非球面棱镜、鲍威尔棱镜、物体几何对象、成像透镜组、CMOS单元实体，考虑到例如非球面透镜、鲍威尔棱镜等器件绘制较为复杂，可以直接使用相关镜头生产商提供的 STEP 文件导入即可，如下图所示：

2. 网格划分

     将上述各个实体进行网格划分，在划分过程中可以针对重要的仿真面进行单独划分，在射线仿真中，镜片的表面需要的网格划分更加细密，CMOS接收器件表面应该细密，在棱镜内部由于光束需要发生折射反射因此也需要考虑较为细密，如下图所示：

🌻Tips: 一定要注意的是对于在几何构造中设计的点光源，需要对其也进行网格划分，否则模型无法正常运行。

3. 材料选择

     将上述各个几何对象域进行材料的设置，对于镜头镜片的材料设置可以选择COMSOL自带的材料库数据，而被照射对象需要设置为指定的材料形式，在配置完材料之后，COMSOL系统会自动将仿真物理场需要的材料属性添加到系统当中，我们可以通过材料的属性栏目增加相关的仿真参数。

4. 仿真设计

     在射线仿真求解器中需要设计激光的点光源相关参数，例如激光发射条数，激光发射锥角，强度等参数，对相关的反射平面进行配置选择合理的镜面反射、漫反射、混合反射模型，在反射平面上设置累加器从而计数到达母材表面的光束数量，从而确定木材表面的照亮情况，配置镜头的光阑正对光束进行 “消失” 操作，从而模拟镜头光阑的功能，在最终的CMOS成像器件的表面上设置壁条件，增加累加器从而计数到达CMOS表面的光数数量，从而确定成像结果。

I. 射线光学仿真结果如下

II. 整个几何域网格划分

III. CMOS器件成像结果

IV. 反射物体表面光分布

Reference

1. COMSOL Optical Video