光学实验计算机仿真平台的构建

论文摘要

随着计算机技术的不断发展,计算机辅助教学走进了现代教育教学的体系。MATLAB软件具有强大的图像处理与数值计算功能,通过建模和编程可以对在实际操作时存在困难的光学实验进行仿真模拟,能使学生较好地预习实验,理解实验,完成实验,复习实验。人们运用MATLAB对光学实验仿真系统的实现进行了许多研究,但是依然存在很多缺陷如没有图形用户界面、无法随意调节参数、缺少激光类实验仿真、无法脱离MATLAB环境运行等。针对这些缺陷,本文对各光学实验进行了全面、系统的仿真模拟,研制出了包括基础光学中干涉和衍射、信息光学中的光学图像处理以及激光实验在内的可扩展性、可移植性强的光学实验仿真平台。具体内容如下：(1)基础光学实验仿真。在光的干涉的基本理论的基础上,根据各干涉实验装置建立了相应的数学模型并给出了算法流程,实现了光学拍实验、球面波光源垂直以及平行观察屏干涉实验、杨氏双缝和杨氏双孔干涉实验以及等倾等厚干涉实验的仿真,并进一步讨论了光源为复色光时的仿真实现。在菲涅尔及夫琅和费衍射的基本理论的基础上,建立了衍射仿真实验的数学模型,分析了各种不同形状孔径下的夫琅禾费衍射及菲涅耳衍射的衍射图样及其强度分布,并实现了对光栅衍射的仿真。(2)信息光学实验仿真。分析了4f相干光学成像系统的工作原理,并以此建立了空间滤波仿真算法,实现了低通、高通、带通和方向滤波仿真实验。随后简要分析了图像的边缘检测、特征提取、图像增强的基本方法并进行了仿真实现。(3)激光实验仿真。分析了高斯光束、自再现模、激光锁模的原理及其相应的理论推理过程,据此提出了利用MATLAB来实现仿真的基本思路和仿真算法并进行了仿真实现。最后通过设置不同参数对仿真结果进行了对比分析,并与理论及实际情况相比较,得到了很好的验证。(4)光学实验仿真平台的构建。分析了选用MATLAB的GUIDE作为开发环境的原因,讨论了图形用户界面设计原则及制作步骤,在此基础上制作了界面简洁美观、可扩展性强的光学实验仿真平台,实现了实验参数的灵活设置,具有良好的人机交互功能,最后进行了MCC编译,生成了可以脱离MATLAB环境运行的独立可执行文件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 本课题的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 MATLAB语言用于计算机仿真的优势
• 1.4 本课题的研究内容
• 1.5 论文的组织内容
• 第二章 基础光学实验仿真
• 2.1 光的干涉实验仿真
• 2.1.1 光的干涉的基本理论
• 2.1.2 光学拍的实验仿真
• 2.1.3 球面波干涉实验仿真
• 2.1.4 杨氏干涉的实验仿真
• 2.1.5 等倾和等厚干涉实验仿真
• 2.2 光的衍射实验仿真
• 2.2.1 光的衍射基本理论
• 2.2.2 夫琅和费衍射及菲涅耳衍射仿真实现
• 2.2.3 光栅衍射及其仿真实现
• 第三章 信息光学实验仿真
• 3.1 光学图象的空间滤波仿真
• 3.1.1 空间滤波基本原理
• 3.1.2 空间滤波仿真的实现
• 3.2 光学图像识别及处理仿真
• 3.2.1 光学图象的边缘检测
• 3.2.2 光学图象的特征提取
• 3.3 光学图象增强仿真
• 第四章 激光实验仿真
• 4.1 高斯光束仿真
• 4.1.1 高斯光束的基本性质及特征参数
• 4.1.2 高斯光束的仿真实现
• 4.2 自再现模仿真
• 4.2.1 自再现模的基本理论
• 4.2.2 自再现模的仿真
• 4.3 激光锁模过程的仿真
• 4.3.1 激光锁模的基本理论
• 4.3.2 激光锁模的仿真
• 第五章 光学实验仿真平台的构建
• 5.1 仿真界面开发环境的选择
• 5.2 图形用户界面的设计原则和制作步骤
• 5.3 光学实验仿真平台的界面制作
• 5.3.1 光学实验仿真平台总体设计
• 5.3.2 软件初始界面动画设计
• 5.3.3 具体实验仿真界面设计
• 5.3.4 mcc编译
• 第六章 总结和展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文