龍志超，楊曉莉，陳長海

(湖北民族學(xué)院 科技學(xué)院，湖北 恩施 445000)

基于GUI的可視化光學(xué)實(shí)驗(yàn)的仿真

龍志超，楊曉莉*，陳長海

(湖北民族學(xué)院 科技學(xué)院，湖北 恩施 445000)

隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算性能的快速提高，以及仿真軟件的功能越來越強(qiáng)大，光學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真在優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)和模擬設(shè)計(jì)的過程中迅速發(fā)展起來，仿真系統(tǒng)引起了人們廣泛的關(guān)注.本課題利用Matlab軟件對經(jīng)典的光學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，編程運(yùn)算，然后對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，最后創(chuàng)建人機(jī)交互式GUI界面.使用者只需通過改變輸入?yún)?shù)就可以模擬不同條件下的不同光學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.最終成果是設(shè)計(jì)完成一個實(shí)用的光學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真平臺.

光學(xué)實(shí)驗(yàn);GUI;MATLAB;仿真

隨著科學(xué)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)在各行各業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用,極大的方便了人們的生活.伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)也迎來了蓬勃的發(fā)展，在科學(xué)研究，工程應(yīng)用，產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，都可以見到仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用的身影[1-3].光學(xué)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)也因?qū)嶋H的需要而得到快速的發(fā)展.目前，利用Matlab軟件來實(shí)現(xiàn)光學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M演示已經(jīng)有較多的相關(guān)成果.但是，真正把光學(xué)實(shí)驗(yàn)[4-5]的仿真做成一個人機(jī)交互式界面的還是比較少.能夠把界面做成一個功能完善，界面美觀的仿真平臺的更少.大多數(shù)的仿真程序，需要直接輸入設(shè)計(jì)的仿真程序，然后運(yùn)行相應(yīng)程序，才可以演示仿真的光學(xué)實(shí)驗(yàn).使用過程中需要對仿真程序的實(shí)現(xiàn)過程和指令有一定的理解，對于仿真程序的使用者門檻較高.而人機(jī)交互式界面的設(shè)計(jì)把仿真程序做成一個界面，則會大大降低使用者的使用難度，通過鼠標(biāo)和鍵盤就可以在仿真界面上直接改變仿真程序的參數(shù).所以利用Matlab軟件將光學(xué)實(shí)驗(yàn)做成一個功能完善，界面美觀的人機(jī)交互式界面是一個值得探索和研究的課題.

1 GUI設(shè)計(jì)用到的核心知識

1)GUI背景替換

ha=axes('units','normalized','position',[0 0 1 1]);

uistack(ha,'down')

II=imread('圖片.jpg');

image(II)

2)參數(shù)調(diào)節(jié)控件[6]

if sel1==1;

……(第一個仿真實(shí)驗(yàn)程序)

elseif se2==1;

……(第二個仿真實(shí)驗(yàn)程序)

end

3)滑動條和可編輯文本框的結(jié)合使用

核心程序如下：

滑動條回調(diào)函數(shù)[7]

val=get(hObject,'value')

set(handles.edit1,'string',val)%讓可編輯文本框顯示滑動條的值

可編輯文本框回調(diào)函數(shù)

shu=get(hObject,'String') %獲取文本內(nèi)容

val=str2double(shu)%將文本內(nèi)容轉(zhuǎn)化為數(shù)字

set(handles.slider1,'value',val)%設(shè)定滑動條的value值和文本框的輸入?yún)?shù)大小一致

圖3 主界面Fig.3 Main interface

4)回調(diào)函數(shù)之間的數(shù)據(jù)傳遞

Global a b c;%將a,b,c設(shè)置為全局變量

2 程序流程圖

仿真平臺由一個主界面和七個子界面組成，下面所示分別是主界面的程序流程圖，如圖1.其中一個子界面的程序流程圖，如圖2.其它的程序流程圖不一一列出.

圖1 總流程圖 圖2 介質(zhì)薄膜等傾干涉Fig.1 The total program flow chart Fig.2 Thin-film equal inclination interference

3 仿真平臺仿真效果展示

在命令欄輸入GDI指令彈出仿真平臺的主界面，如圖3.用鼠標(biāo)點(diǎn)擊主界面的對應(yīng)按鈕可分別打開單縫衍射等仿真界面，通過拖動滑動條或者文本框輸入數(shù)字完成仿真程序的參數(shù)設(shè)定，并時時的繪出仿真效果.圖4～8分別為單縫衍射、光柵衍射、單晶體子波波陣面、雙縫干涉和介質(zhì)薄膜等傾干涉的仿真效果圖.圖9、圖10為平臺介紹和使用幫助界面的仿真效果.

(a) (b) (c)圖4 單縫衍射Fig.4 Single slit diffraction

(a) (b)圖5 光柵衍射 Fig.5 Optical grating diffraction

(a) (b) 圖6 單晶體子波波陣面 Fig.6 Single crystal wave front

(a) (b)圖7 雙縫干涉 Fig.7 Two-slit interference

(a) (b) 圖8 介質(zhì)薄膜等傾干涉 Fig.8 Thin-film interferenc

圖9 平臺介紹 圖10 使用幫助 Fig.9 Introduction to platform Fig.10 Usinghelp

5 結(jié)論

本文利用MATLAB軟件完成了光學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真平臺的設(shè)計(jì).平臺演示了單縫衍射，介質(zhì)薄膜等傾干涉，雙縫干涉，單晶體子波波陣面，光柵衍射五個光學(xué)實(shí)驗(yàn).仿真平臺程序運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡單，仿真效果明顯.完成后的光學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真平臺如果用于輔助教學(xué)，可以延長實(shí)驗(yàn)器材的使用壽命，減少實(shí)驗(yàn)儀器的損壞，降低實(shí)驗(yàn)成本，方便老師光學(xué)教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)，具有一定實(shí)用價值.

[1] 陳怡.虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺設(shè)計(jì)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都：西南交通大學(xué)，2010.

[2] 趙盾.光學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)仿真平臺的構(gòu)建[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[3] 曲偉娟.基于MATLAB的光學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2004.

[4] 梁紹榮，劉昌年，盛正華,等.普通物理學(xué)·光學(xué)[M].3版.北京：高等教育出版社，1988：160-202.

[5] 程守洙，江之永，胡盤新,等.普通物理學(xué)1[M].5版.北京：高等教育出版社，1998：1-20.

[6] 張志剛，劉麗梅，朱婧,等.Matlab與數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].2版.北京:中國鐵道出版社，2004:1-200.

[7] 羅華飛.MATLAB gui設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)手記[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2010:345-428.

VisualOpticalExperimentalSimulationBasedonGUI

LONG Zhi-chao,YANG Xiao-li*,CHEN Chang-hai

(Science and Technology College of Hubei University for Nationalities，Enshi 445000,China)

With the rapid development of computers’ computing ability and the more powerful function of simulation software, optical experimental simulation has been developed in the process of simulation design and optimization of optical systems. Therefore,simulation system has attracted widespread attention.This project uses MATLAB software to establish mathematical model for the typical optical experiment, make computer simulation on the experiment and create the interactive GUI interface. Users can simulate different optical experimental phenomena under different conditions by changing the input parameters. The final result is to design a practical optical experiment simulation platform.

optical experiment;GUI;MATLAB;experimental simulation

2013-04-11.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11147012)；湖北民族學(xué)院科技學(xué)院校級教研項(xiàng)目(KY201107);國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201210517013).

龍志超(1989- )，男，碩士研究生，主要從事理論物理的研究；*

：楊曉莉(1982-)，女，講師，碩士，主要從事多光譜技術(shù)研究.

O436;TP391.76;G434

A

1008-8423(2013)02-0200-04