基于Ｏｐｅｎ　Ｉｎｖｅｎｔｏｒ的可视化三维激光光路布局设计和传输仿真

摘要:为解决传统二维光路设计和传输仿真中三维可视化不足的问题,通过增强光路设计的三维交互能力,提出基于Open Inventor的可视化三维激光光路布局设计和传输仿真. 借助Pro/ENGINEER完成光学元件和光路模型的建模,以Open Inventor为三维可视化仿真开发平台进行光学元件和光路模型及模型定位功能的管理,实现光学元件和光路模型的三维可视化布局,建立传输仿真场景数据库,并采用基于粒子的方法仿真激光传输过程. 初步应用表明,可根据设计要求对光路中的光学元件进行布局,调整光路模型,直观展示光路走向,对光路传输路线进行可视化仿真.

关键词:激光; 三维光路布局设计; 传输仿真; Open Inventor; Pro/ENGINEER

中图分类号:TN012;TP391.9文献标志码:A

Visualized 3D optical layout design and

transmission simulation of laser based on Open Inventor

WANG Junfeng, ZHANG Fei, LI Shiqi

(Dept. of Industrial & Manufacturing System Eng., Huazhong Univ. of Sci. & Tech., Wuhan 430074, China)

Abstract: To overcome the deficient visualization in traditional 2D design of optical system and transmission simulation, the visualized 3D optical layout design and transmission simulation of laser based on Open Inventor is proposed by improving the 3D interaction capability. The modeling on optical components and optical model is built by Pro/ENGINEER. The optical components, optical model and model-positioning function are managed by the 3D visual simulation development platform Open Inventor. So the 3D visual layout of optical components and optical model are implemented, the transmission scene database is established, and the laser transmission is simulated by the method based on particles. The preliminary application shows that the optical component layout and optical model can be adjusted according to design requirements, and the system can intuitively display optical path and achieve the visualized simulation on optical transmission.

Key words: laser; 3D optical layout design; transmission simulation; Open Inventor; Pro/ENGINEER

收稿日期:2008-12-03修回日期:2009-02-02

基金项目: 国家高技术研究发展计划(“八六三”计划)(2006AA804501)

作者简介: 王峻峰(1970—),男,河南汝州人,副教授,博士,研究方向为建模与仿真、绿色设计、装配设计等,(E-mail)wangjf2000@tom.com

0引言

高功率激光驱动器的设计和建造对开发未来的新型能源有着深远的科学意义和重要的应用价值,但是其结构复杂、规模庞大、建造费用高昂,且建造过程涉及一系列多学科技术和工程问题.激光光路的布局设计和仿真将一些光学器件按照一定要求合理组成1条光路并对光的传播进行仿真.这是涉及参数化设计、计算机图形学和计算机仿真等技术的交叉学术领域.光路设计布局结果对整个激光系统的经济性、可行性、安全性和柔性等都有重大影响,因此激光光路布局仿真系统的研究对高功率激光驱动器的研制具有重要的指导意义.[1]

传统的光路布局设计和仿真一般采用二维方式,用户将代表光学元件的方形图标进行排列,能够对光路进行计算,在这种图形上用图标颜色的变化表达光的传播.[2]这种二维光路布局设计和仿真方式不直观,缺乏三维光学器件的形象化和可视化表达.本文基于Open Inventor三维可视化仿真平台,结合激光传输特性初步开发1个三维激光光路布局仿真系统,在系统中可以根据设计要求对光路中的光学元件进行布局,同时也可以对光路模型进行调整以直观展示光路的走向,大大提高该类系统的三维交互性能.

1激光的传输特性

激光的主要特点就是高亮度、高方向性、高单色性和高相干性.本文所研究的是超短超强激光脉冲,具有频率高、脉冲间隔短、能量大等特点.激光束从振荡器发出,通过众多激光组件和光学元件,主要是线性传输模块、非线性传输模块和能量放大模块等元器件,历经长距离传输,最后到达目标.激光在一般的光学腔中以高斯光束传播,而在高功率激光驱动器中以超高斯光束形式传播,可以用Maxwell方程表示.

为描述光束在不同情况下的传输变换及光束参量的性质特点,人们建立起一系列光束传输研究方法.其中,几何光学方法最为直观,它以Fermat原理为基本原理,以光的直线传播、反射和折射3大实验定律为基础,用几何学方法研究光线的运动轨迹,通常用来研究几何成像、光线传输和像差分析等问题.[3-4]

建立在描述电磁场普遍运动规律的Maxwell方程组基础上的波动光学方法可用边界条件对Maxwell方程求解从而得到光场的分布.在非磁各向同性介质中,激光光束传输满足的波动方程为▽²E-▽(▽•E)+k²n²E=0(1)式中:k为波数;n为介质折射率.与等离子体的流体力学方程联立,该方程可用于研究激光光束在等离子体中的传输问题.若加上大气的流体物理方程,则可以研究强激光大气传输中的热晕问题.另外它也可以用于激光在脉冲放大器、波导和光纤中的传输.

在传输过程中,高频脉冲激光实际上是以高斯面形式向前传播的,可用式(1)简化描述.本文将激光传输过程中的特性通过相应的可视化方式模拟出来.激光光束按照一定的规律运动,并与物理数据结合,相关物理特性数据则由光传输模拟计算软件计算得到.

2激光光路布局设计和传输仿真

2.1激光光路布局策略

高功率固体激光驱动器主要由前端、预放大级、主放大级、频率转换器和靶场等系统组成,见图1.此外,还有能源、激光参数测量和控制等系统.

激光驱动器工作时光束传输过程为:振荡器和预放大器产生的激光→传输空间滤波器小孔→功率放大器→主放大器(多程放大)→功率放大器→传输空间滤波器→编组站/靶区反射镜→终端光学元件组件→靶点.[4]

为便于对模型和数据的管理,将光路布局建立在数据库的基础上,当仿真场景初始化时,系统遍历仿真场景数据库,将光路元件布局到相应的空间位置,完成光路的初始化布局.数据库负责提供程序运行的一切相关数据和文本信息等,如光学仪器位置信息、各种光通量信息、仪器安全工作状态信息、光通量图存放位置以及激光运动空间位置信息.在仿真场景通过用户的交互发生变化之后,系统更新场景使得光路重新布局,并将新的布局数据信息存入仿真场景数据库.这样当仿真系统再次启动时通过数据库中的最新布局信息驱动光路的重新布局.激光传输过程光路可视化布局流程见图2.

2.2激光光路布局功能设计

为使激光装置仿真场景可视化布局系统具有设计指导的实用价值[5-6],满足设计人员在大型激光装置中对光学系统设计仿真的需要,把光路布局系统的功能分为以下几个方面:

(1)光学元件可视化布局.激光光路中的主要光学元件包括空间滤波器、各种平面反射镜、各种薄透镜和能量放大器等.光学元件可视化布局就是依据激光传输的要求和激光传输过程调整各种光学元件在三维仿真空间的位置、姿态和大小等,使得设计人员能够在该平台上对各种元件进行可视化布局,这一步是仿真运行的前提.

(2)光路模型可视化布局.光路中的光学元件按照要求排布到位后,如果只是一个个孤立的光学元件模型,可视化效果不甚理想,各元件之间的过渡显得不直观.这里采用建立光路模型的方法先调入各段光路的模型,然后在场景中对光路模型进行拉伸、旋转和缩放等操作实现光路可视化布局.

(3)光路布局更新到仿真场景数据库.光路布局中光路元件的基本信息全都存储在仿真场景数据库中,当光路经过用户调整重新布局后,布局信息更新到仿真场景数据库中,这样在仿真场景被重新构建时,场景中的光路布局通过调用数据库中的最新信息在初始化时就被更新,从而实现光路布局与仿真场景数据库之间的交互.

激光光路的走向和光路布局的主要对象见图3,包括光路中的各种光学元件和光路模型.

2.3激光传输过程仿真

采用仿真时钟驱动激光粒子运动,当它通过光路中的光学元件时发生动态响应,通过内建的响应函数使光的传输过程发生相应变化,使光束发生反射等响应,并结合激光传输模拟计算软件,按照激光传输实际物理规律同步进行运算,获取激光光强、能量等信息,再以后台数据库为中介,实时传递给激光光束来可视化表现激光的传输特性,通过信息窗口输出仿真信息.系统主要采用数据库和光模拟传输计算软件获取相关数据.

激光驱动主要关注激光光束的运动轨迹,是指在虚拟场景内对激光传输过程进行的可视化仿真演示过程.激光以不同的形式从激光源发射出来,经过预放大级、光路反转器、前端、空间过滤级、能量放大级、变频级等线性和非线性激光光路部分,最后到达目标位置,打中目标物并触发爆炸效果.运动过程驱动通过在Open Inventor中设置时间感应器(即仿真时钟)实现:

timer = new SoTimerSensor(animateParticle, this);

其中animateParticle为时钟响应函数,即Open Inventor感应器为用户提供的回调函数接口,实现对激光粒子的运动叠加,接受新响应并按照反射定律进行偏转.激光传输实时驱动仿真的流程见图4.

在激光的空间传输运动过程中,沿途与光学仪器、传输介质等不断发生各种复杂相互作用,同时也经过能量放大、变频等环节,激光能量一直在改变.这主要通过更改激光束的颜色、亮度和形状等反映出来.能量信息由数据库将后台光传输模拟计算软件传递过来,形状信息则由各段光路管道的外形决定,再加上一定的特效,如尾迹效果等,从而逼真地展现激光光束在光路中的运动轨迹.

3激光光路布局与仿真实现

3.1模型管理

系统模型的构造方式主要分为两种:通过读入外部iv模型文件和在场景中直接构造.光学元件模型和光路模型由读入模型文件生成,激光粒子和靶心等则在Open Inventor中直接建模生成.由于Open Inventor建模功能有限,所以光学元件和光路模型的建模主要通过Pro/ENGINEER完成.完成相应的基本模型后,把这些模型存为iv格式的模型文件,放入相应文件夹.然后把模型名和模型路径存入到数据库中,当仿真系统启动时通过链表将仿真场景数据库中的信息逐步读入仿真场景,包括光路元件的位姿参数和其他有关输出信息,以驱动仿真场景光路布局的初始化.为对系统中所有模型进行有效管理,按照面向对象的思想对场景进行组织,创建1个场景对象链表ModelList,用来管理场景中的光学元件等对象.将场景中的每个实体都作为1个独立对象,1幅场景就是由所有对象构成的链表,链表中的每个节点对应场景中的1个对象,称作ModelNode.用户向场景中添加1个对象的过程就是链表中增加1个节点的过程.当用户发出消息拾取某个对象时,系统就访问场景对象链表,搜索链表中节点的信息,找到被拾取对象.定义类ModelNode如下:

class ModelNode

{

SoSeparator *model_separator; //模型节点

SoTransform *model_position; //位姿节点

SoMaterial *model_material; //颜色节点

Bool readModel(…); //成员函数从外部导入模型并制定空间坐标

…

}

由于Windows系统以消息事件驱动的方式运行,因此系统应用层将发送到窗口的各种消息转换成系统内部消息事件,并构成1个内部事件消息队列,由系统中的场景对象管理器 SceneManager负责处理.SceneManager的实例能对场景中的对象节点Node进行各种操作,如查询、添加、删除和遍历等.对象节点类ModelNode的实例负责管理场景中对象的各种属性.类SceneManager封装实现所有交互功能的细节,定义如下:

ClassSceneManager

{

…

BoolModelListManager();//填充链表

BoolConstructScene();//组织节点构造仿真场景

ModelNode* AddNode(CString modelNo); //添加节点对象

ModelNode* FindNode(CString modelNo); //通过代号寻找制定节点对象

BoolDeleteNode(CString modelNo); //删除节点对象

int GetListLen();//得到链表的长度

BoolClearNodeList();//清除整个对象链表

BoolRepaintScene();//重新绘制整个场景

…

｝

3.2建立仿真场景数据库

利用Access开发出仿真场景参数库,实现数据共享,解决数据的完整性、一致性和安全性问题.根据Access的基本特点,仿真数据库的基本信息可以存入同一数据文件中,但应根据不同的数据类型及描述的不同对象建立数据表.在这里,数据表分为模型信息数据表和仿真信息数据表.前者管理模型在场景中的相关信息,后者记录仿真信息,二者通过模型代号相结合.相关参数见表1.

3.3数值定位和鼠标拖动

数值定位和鼠标拖动都要首先获得控制该对象空间位姿的SoTransform节点,然后对其进行操作.数值定位功能提供1个对话框(见图5)供用户输入需要的位姿参数来精确定位空间对象.

对于鼠标拖动功能,由于各种模型在场景中的节点类型可能不一样,因此不能通过单一的搜索方式寻找模型的位姿节点.为此,采用下面的策略进行搜索.

(1)通过鼠标点击三维界面获得的指向空间对象的路径,当其尾部节点不是组节点(group),则搜索与该尾部节点同层次的节点,从右至左,直到找到1个位姿节点.如果没有找到,或者找到其他可移动的对象(如shape,group,light或camera节点),则在尾部节点左边加入1个位姿节点,这样该位姿节点就可以直接控制所指的对象;

(2)如果路径尾部节点是组节点,从左至右搜索其子节点直到找到1个位姿节点.如果先找到1个可移动对象,则在该对象左边加入1个位姿节点.

找到模型的位姿节点后,为了对所选择的模型进行交互操作,需要用相应的操作器节点替代该节点.本文采用两种操作器节点:SoHandleBoxManip和SoTransformBoxManip,前者可以对对象进行平移和拉伸操作,后者则可以进行平移、旋转和缩放操作.替代位姿节点的相应代码如下:

pView->myHandleBox->replaceNode(xformPath)

pView->myTransformBox->replaceNode(xformPath)

3.4初步应用

图6(a)为系统总体界面.图6(b)表示用户对激光传输光路光学元件进行布局移动能量放大器时的情景,用户可以用鼠标直接对光路元件模型或光路模型进行操作,包括移动、拉伸和缩放等.图6(c)表示白色激光在整个光路中的传输过程.初步使用表明,三维激光光路布局和仿真系统与二维方式的同类系统相比,可增强系统的可视化能力,使系统操作更加直观,能有效提高光路系统的设计效率.

4结束语

激光光路可视化三维布局和仿真系统对光路设计有重要作用.通过分析研究激光光路的布局策略、布局功能设计和激光传输仿真过程,结合Open Inventor仿真平台,初步开发设计1个激光光路布局和仿真系统.在系统中可以根据设计要求对光路中的光学元件进行布局,同时也可以对光路模型进行布局调整以直观展示光路的走向.下一步将把该系统和光路计算软件进行集成,利用光路计算软件的结果全面驱动仿真系统,实现二维和三维系统的互补结合.

参考文献:

[1]吕百达. 强激光的传输与控制[M]. 北京: 国防工业出版社, 1999: 45-49.

[2]粟敬钦, 景峰, 刘兰琴, 等. 高功率固体激光系统计算机模拟设计平台的开发及其应用[C]//第7届全国激光科学技术青年技术交流会, 2003.

[3]BORN M, WOLF E. Principles of optics[M]. London: Cambridge Univ Press, 1999: 101-112.

[4]邓冬梅. 激光光束传输及超短脉冲光束传输的理论研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2003.

[5]李伟峰. 三维仿真技术在车间布局设计中的应用研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2003.

[6]王柏东, 周美玉. CAI课件中三维实时交互模块的实现[J]. 计算机应用, 1999, 19(S1): 26-29.

(编辑于杰)

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