Методы, модели и инструментальные средства проектирования неизображающих оптических систем с применением поверхностей типа "freeform" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Летуновская, Марина Валерьевна

• Летуновская, Марина Валерьевна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Летуновская, Марина Валерьевна

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ_7

ГЛАВА 1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ. МЕТОДЫ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА НЕИЗОБРАЖАЮЩИХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ_10

1.1 Структурные элементы оптической схемы: приемники, источники

1.2 . Понятие неизображающей оптической системы

1.3 Понятие метода, модели и инструментального средства

1.4. Инструментальные средства проектирования неизображающих оптических систем

1.4 Основные методы проектирования неизображающих ОС

1.5. определение и понятие "рнеероям" 32 выводы по главе

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕИЗОБРАЖАЮЩИХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ПРИМЕНЕНИЕМ "Р11ЕЕР01Ш"П0ВЕРХН0СТЕЙ_44

2.1 Структурный синтез неизображающих оптических систем

2.2 Ранжирование осветительных систем по техническим характеристикам

2.3 Функциональное элементы, формирующие систему

2.3 Параметрический синтез неизображающих оптических систем

2.4 Оптимизация

2.5 Инструментарий проектирования неизображающих оптических систем с применением "1<т1еер01ш" поверхеюстей 65 Выводы по главе

ГЛАВА 3 ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕИЗОБРАЖАЮЩЕЙ ОСВЕТИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОПЕРАЦИОННОЙ КОМНАТЫ_70

3.1 Анализ технического задания на неизображающую осветительную систему для операционной комнаты

3.2 Формализация и ранжирование технических характеристик. Структурный синтез

3.3 Параметрический синтез неизображающей оптической системы для операционной комнаты 85 3.5 Результат прохождения лучей через модуль 1ЬЕОЗ и 1ЬЕ05. 86 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ_94

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ_96

Актуальность

В современном мире все более и более актуальными становятся исследования в области фотоники. Появляются новые «ответвления» направления исследований. К числу таких направлений можно отнести: исследования в области осветительных систем, сенсоров, фотогальванических концентраторов. Особый статус необходимости получили неизображающие оптические системы с использованием "freeform" поверхностей, которые имеют широкий спектр применения во многих отраслях промышленности.

Например, подобные поверхности применяются

• В изображающих оптических системах: гибридных объективах

• В иеизображающих оптических системах: светофоры, фонари,

осветительные системы, оптические приборы медицинской техники,

фотогальванические концентраторы

Применение "freeform" поверхностей позволяет получать системы с новым качеством с уменьшенным количеством оптических компонентов, обеспечивающих высокие потребительские свойства: малые габариты, вес, высокое оптическое пропускание.

Такие поверхности, очевидно, требуют новых средств проектирования и моделирования.

Активная разработка таких систем началась в шестидесятые годы двадцатого века, в то время как многие математические методы, которые впоследствии легли в их основу - были разработаны в девятнадцатом веке Декартом, Френелем и др. Таким образом в проектировании иеизображающих систем сплетаются гениальные теории прошлого с современными методами проектирования и достижениями высоких технологий изготовления сложнейших элементов современной фотоники.

Вопросы теории и практики расчета неизображающей оптики рассмотрены в трудах R. Winston, W. Welford. W. Cassarly, P. Benitoz, R. Minano, B.K. Баранова, С. В. Кудаева, М.А. Моисеева, Л.Л. Досколовича и др.

Поэтому разработка методов моделирования и алгоритмов проектирования оптических систем с применением "freeform" поверхностей и других инструментальных средств для их расчета является актуальной задачей исследования.

Существует множество методов расчета сложных изображающих и неизображащих оптических систем, которые разрабатывались на протяжении многих лет. Однако, до сих пор не существует единой методики создания оптических систем на основе поверхностей 'ТгееГогт" и эта тема продолжает активно развиваться о чем можно судить по возрастающему количеству публикаций и многочисленным конференциям, посвященным этой тематике.

Именно поэтому тема настоящего исследования: методы, модели и инструментальные средства проектирования неизображающих оптических систем с применением поверхностей типа 'ТгееАэгт" является действительно актуальной.

Также следует отметить, что в настоящий момент большинство последних публикаций по теме неизображающей оптики выпущены за рубежом, поэтому считаем, что перенос, осмысление и развитие передового зарубежного опыта должно быть полезно отечественной науке.

Цель

Целью данной работы является разработка методов моделирования и инструментальных средств проектирования неизображающих оптических систем с применением поверхностей типа 'ТгееАэгт" Задачи

1. Анализ существующих методов проектирования неизображающих оптических систем с применением 'ТгееГогт" поверхностей

2. Анализ методов математического моделирования оптических систем с применением 'Тгеейэгсп" поверхностей

3. Анализ существующих алгоритмов моделирования оптических систем с применением 'ТгееАэгт" поверхностей

4. Анализ условий создания оптической системы с применением "йгееАогт" поверхностей.

5. Разработка теории синтеза неизображающих оптических систем и формализация процесса проектирования

6. Разработка рекомендаций по выбору метода расчета

7. Разработка осветительной оптической системы для хирургической комнаты, с применением данной методики.

Научная новизна

1. Формализован процесс проектирования неизображающих оптических систем применением 'ТгееГогш" поверхностей за счет выбора ее стартовой точки с целью последующей автоматизации для увеличения скорости проектирования.

2. Создана Теория синтеза неизображающих оптических систем с использованием 'ТгееАэгт" поверхностей.

3. Создан метод и алгоритм проектирования неизображающих оптических систем с применением "Агее^эгт" на основе теории синтеза

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Упорядочение (создание) классификации систем и элементов неизображающей оптики.

2. Формализация процесса проектирования неизображающих оптических систем за счет выбора ее стартовой точки.

3. Теория синтеза неизображающих оптических систем.

4. Метод и алгоритм проектирования неизображающих оптических систем с применением "й-ееАэгт" на основе теории синтеза

5. Вариант проектирования и расчета оптической системы для хирургической комнаты на основе разработанной методики.

Прикладная ценность работы

1. Теория синтеза применяется при проектирования широкого класса неизображающих оптических систем

2. Разработанные метод и алгоритм используются для проектирования неизображающих оптических систем с поверхностями "й-ееАогт".

3. Получены высокие оптические характеристики экспериментальной установки осветительной системы для хирургической комнаты.

Результаты исследования были применены на практике лаборатории АПОИ и ЭС, что позволило развивать новое направление работы лаборатории, имеющее большое прикладное значение как в России там и за ее пределами.

Реализация результатов работы

Основные результаты работы были реализованы в проектах лаборатории АПОИ и ЭС Университета ИТМО: 11.519.11.6014 "Исследования неизображающей энергосберегающей осветительной системы для операционной комнаты, основанной на СИД, совместно с Корейским Политехническим Университетом, Республика Корея", контракт № 213293 "Методика и расчет оптимального варианта оптической системы для огней задних сгруппированных", контракт № 212236 "Методика расчета и разработка дополнительной линзы для светофора для РЖД"

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы, модели и инструментальные средства проектирования неизображающих оптических систем с применением поверхностей типа "freeform"»

Введение

С древних времен ученые изучали вопросы, связанные с природой света и представление о нем менялось неоднократно. С накоплением знаний о свете и оптике создавались и менялись методы познания от эвристических до формализованных. В античные времена познание о природе света сводились к наблюдению за природными явлениями, в средние века были сформулированы первые фундаментальные законы оптики - отражение и преломление, в современном мире разрабатываются методы автоматизации процесса разработки тех или иных оптических систем.

Проектирование оптических систем и его влияние на смежные отрасли играет очень важную роль в развитии инженерной науки. С развитием теории оптических систем, совершенствовались и методы их проектирования. Лидером в области проектирования оптических систем в России был и остается Национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики. Существенный вклад в этом направлении внесли выдающиеся отечественные ученые — профессора университета: В.Н. Чуриловский [30], М.М . Русинов [31], А.П. Грамматин, В.А. Зверев. В настоящее время эта тематика продолжает свое развитие в рамках научной школы профессора В.Н. Васильева в лаборатории автоматизированного проектирования оптико-информационных и энергосберегающих систем Университета ИТМО.

Накопленный багаж знаний ученых-оптиков позволил систематизировать и упорядочить механизм проектирования оптических систем, выявить ряд закономерностей, послуживших основой методик проектирования оптических систем. В работах Васильева В.Н. и Ливщиц И.Л. [1] рассмотрены методы, позволившие создать механизм экспертной системы для проектирования объективов. Опытный разработчик имеет возможность проанализировать созданную им оптическую схему и сравнить ее с другими вариантами, предлагаемыми экспертной системой. Такой подход позволяет рассмотреть большее количество стартовых точек проектируемой оптической системы и осознано выбрать среди них наиболее оптимальную за более короткий срок.

Проектирование оптических систем, как изображающих, так и неизображающих, основывается на использовании законов физики в решении инженерных задач. При этом существует принципиальная разница между этими двумя типами оптических систем.

Развитие неизображающей оптики, как отдельного раздела науки началось в середине 1960-х годов в трех различных и независимых группах: Баранов-Мельников (СССР) [2], Р1оке (Германия) [3] и ШтегЬе^ег-Уинстон (США) [4]. Первым значимым устройством считается составной параболический концентратор (СПК), который был признан идеальным в том смысле, что был достигнут термодинамический предел концентрации на плоскости (20-геометрии). Концентратор-это оптическая система, которая направляет поток света, попадающий на входную апертуру на его приемник. В целом эффективная передача энергии от входа к ее приемнику является задачей проектирования концентратора, и, следовательно, средняя освещенность на приемнике выше, чем на входе. Термодинамический предел концентрации достигается тогда, когда каждая точка приемника освещается изотропно с помощью лучей, исходящих из источника. В этих пределах, размер приемника является минимальным для всех концентраторов с тем же источником и входной апертурой.

В сравнении с изображающими системами, в неизображающих вместо объекта рассматривают источник, а вместо изображения - приемник. В наиболее общем случае, "источник" и "приемник" представлены набором лучей.

К неизображающей оптике обычно относят оптические схемы, цель которых не в том, чтобы сформировать изображение объекта, а в передаче лучистой энергии. В целом эта проблема менее связана, чем в обычных изображающих системах, т.е. имеет больше "степеней свободы". Эти дополнительные степени свободы используются, чтобы получить лучшие конструкции (более эффективные, более компактные, более простые, с более высокой концентрацией, и т.д.), чем конструкции, которые могут быть получены с помощью параметров аналогичных параметрам изображающей оптики. Однако, это не является обязательным условием. Имеются случаи, когда технологии проектирования изображающих систем используются в случае систем неизображающих, как, например, линза Люнебурга или ЮС концентратор [ 5].

Объект

А В

Источник

А В

Изображающие

Неизображающие

ОС

ОС

е

А' В'

Рисунок 1. Изображающие и неизображающие оптические системы [6]

Изображающие классические системы с симметричными поверхностями вращения являются подходящими решениями для некоторых параксиальных проблем неизображающей оптики, т.е. те, в которых пропускают лучи, соединяющие источник и приемник никогда не образуют большие углы с осью вращательной симметрии. При проектировании непараксиальных систем, как это часто случается в конструкции коллиматоров или концентраторы, ограничения, налагаемых на формировании изображения бесполезны. Изображающая оптика имеет первоочередной целью сохранения пространственного контраста, в то время как решении задач освещения или концентрации солнечного излучения (две типичных области применения неизображающей оптики), например, обычно хотят, чтобы распространение света по поверхности не имело контраста, несмотря на неоднородность источника излучения.

Глава 1 Основные понятия, методы и инструментальные средства неизображающих оптических систем

1.1 Структурные элементы оптической схемы: приемники, источники

Важнейшими понятиями в неизображающей оптике являются понятия источника

и приемника.

Источником светового излучения является излучатель электромагнитной энергии в видимой (или оптической, т. е. не только видимой, но и ультрафиолетовой и инфракрасной) области спектра. Естественными источниками света являются Солнце, Луна, звёзды, атмосферные электрические разряды и др., искусственными - устройства, превращающие энергию любого вида в энергию видимых (или оптических) излучений.

Источником света служит солнечное излучение, применительно для солнечных концентраторов; в осветительных системах возможно применение различных источников по своей форме и свойству. Рассмотрим основные источники излучения в неизображающей осветительной оптике:

• Точечный источник не имеет физической протяженности. Свет излучается из одной точки и не имеет пространственного инварианта интенсивности.

• Поверхностный источник имеет трехмерную форму цилиндра, сферы или куба, излучает энергию только со своей поверхности.

• Объектный источник является разновидностью поверхностного источника, который может быть создан из любых геометрических объектов. Таким источником может выступать светодиод с первичной оптической системой (рисунок 1.1.1)

Рисунок 1.1.1. Светодиод Seoul Semiconductor с первичной оптикой [7] Еще одним важным понятием в неизображающей оптике является приемник Приёмники света, устройства, изменение состояния которых под действием потока оптического излучения служит для обнаружения этого излучения, его измерения, а также для фиксации и анализа оптических изображений излучающих объектов [7] Рассмотрим основные виды приемников светового излучения: Поверхностный приемник может являться любой поверхностью в пространстве (рисунок 1.1.2). С помощью такого приемника можно проанализировать следующие осветительные выходные данные:

• Освещенность

• Сила света

• Яркость

• Световой поток

Рисунок 1.1.2 Поверхностный приемник

Объектный- приемник является сложной геометрической фигурой в пространстве. Используется в том случае, если в модели системы существует множество поверхностей

Приемник дальнопольный -это сферический приемник, охватывающий все части модели. Применение данного приемника подразумевает использование точечного источника и приемник получает информацию только об угловом распределение света. Существует конечный и бесконечный приемник. Конечный приемник является сферой с конечным радиусом, бесконечный приемник имеет бесконечный радиус. На рисунке 1.1.4 представлен конечный приемник дальней области.

[8].

0/180 I.

'¡»»V ОС

\л

• \ \

]' 90/270 1_

Рисунок 1.1.3 Конечный приемник дальнопольный

1.2. Понятие пеизображающей оптической системы

Неизображающая оптическая система вместо объекта имеет источник света, а

вместо изображения - приемник. Вместо изображения источника света оптика воспроизводит освещенность на приемнике.

Первое применение пеизображающей оптики было проектирование концентратора, который может воспроизвести максимум теоретической мощности. Первым спроектированным прибором считается составной параболический концентратор (СРС). Концентратор был спроектирован двумерным методом и положил начало развитию неизображающей оптики как отдельной науки [11].

В настоящее время неизображающая оптика решает следующие три задачи:

1. Проектирования концентраторов света

2. Проектирование осветительных систем

3. Проектирование телекоммуникационных систем

Основной задачей неизображающей оптики при проектировании солнечных концентраторов является создание максимально возможных по ширине углов приемника света для дальнейшей его концентрации в солнечных батареях.

Примерами устройств неизображающей оптики для освещения являются оптические световоды, отражатели, freeform линзы, а также их комбинации. Применяются подобные устройства во многих областях светотехники: автомобильные фары, LCD подсветки, подсветка панели приборов, волоконно-оптических осветительные приборы, светодиодные фонари, проекционные дисплеем и светильники.

Рассмотрим математические модели неизображающих оптических систем.

На рисунке 1.2.1. представлена схема изображающей оптической системы. Слева у нас находится объект EF, в центре оптика CD и справа изображение АВ

Рисунок 1.2.1 Схема изображающей оптической системы[11]

Световой луч, исходящий из угловой точки Б, должен быть сконцентрирован в угловой точке А изображения. Аналогично, свет, исходящий из точки Е должен быть сконцентрирован в точке В. Эти условия могут быть применены для любой точки Р объекта. Свет, исходя из точки Р, должен быть сконцентрирован в точке изображения. Расстояние от оптической оси ^ и ф от точки объекта и изображения можно представить следующим выражением:

с^ = Мс10

где М - коэффициент увеличения системы.

Если мы хотим совместить две точки объекта в двух точках изображения АВ, то одной поверхности недостаточно. Нам необходимо как минимум применить две поверхности. Теперь мы имеем два пучка угловых лучей (исходящие из точек Е и Б), которые должны быть сфокусированы в точках А и В. Также мы имеем две поверхности, которые должны быть описаны (Рисунок 1.2.3). Представим, что линза (рисунок 1.2.2) спроектирована таким образом, что два комплекта наклонных лучей фокусируются в нужных точках изображения.

р

в

А

Р

Е

Е

(Ь)

Рисунок 1.2.2 Схема хода лучей в оптической системе

Однако, эта линза не может гарантировать, что свет, исходящий из точки Р объекта будет сконцентрирован в нужной точке <3 изображения, так как в данной системе отсутствует нужное количество степеней свободы. Соответственно необходимо добавить большее количество поверхностей.

Если мы не хотим добавлять большее количество линз, мы должны найти новые возможности увеличения степеней свободы системы, чтобы все точки объекта фокусировались на соответствующих точках изображения. Один из таких путей -создание линзы, показатель преломления которой будет меняться от точки к точке. Такое-решение достаточно затратно, так как сложно создать материал с варьирующимся показателем преломления. Ввиду описанных трудностей в проектировании идеальной изображающей системы существующие приборы не воспроизводят идеальное изображение, а имеют аберрации.

Хотя линза на рисунке 1.2.3 не гарантирует формирование изображения, но она гарантирует, что излучения, исходящее из точки ЕБ в любом случае придет в точку АВ. В итоге световые лучи, исходящие из углов источника ЕР проходят через углы приемника АВ, свет излучающийся из точки Р источника достигнет точки между АВ приемника. Следовательно, все излучение, исходящее из ЕБ и проходящее СЭ будет сфокусировано на АВ приемника. На рисунке 1.2.3 луч Г[ исходящий из угловой точки Б источника достигает точки А приемника, аналогично Г5 исходит из точки Е и проецируются в точке В приемника. Поэтому лучи г2 ,г3 и г4 проецируются в заданной точке приемника [11].

Е

А

В

Рисунок 1.2.3 Ход луча г,

п

Как уже было отмечено ранее, для проектирования изображающей системы требуется очень много степеней свободьь Проектирование изображающей оптической системы без достаточного количества степеней свободы не является эффективным решением поставленных задач. Если целью является только перенос энергии от источника до приемника системы, то формирование изображения не обязательно. Вместо этого необходимо чтобы лучи, исходящие от угла источника попадали в угол системы, как показано на рисунке 1.2.3. В этом случае требования к системе снижены и требуется меньшее число степеней свободы.

Если источник света расположен на бесконечности, он становится бесконечно большим, и ситуация показанная на рисунке 1.2.3 превращается в ситуацию, изображенную на рисунке 1.2.4

Рисунок 1.2.4 Неизображающая оптическая система В этом случае входящее излучение может быть характеризовано угловой

апертурой 9. Данная линза теперь работает как прибор, концентрирующий в АВ

0

излучение входящее с апертурой - падающее на СО. Прибор должен быть

спроектирован таким образом, чтобы параллельные лучи с1х концентрировались в точке А, а параллельные лучи ё2 концентрировались в точке В. Таким образом, все лучи, падающее под углом меньшем 0 попадают на приемник АВ. Схема, представленная на рисунке 1.2.4. является примером неизображающей оптической системы.

1.3Понятие метода, модели и инструментального средства

Проектирование — это практическая деятельность, целью которой является поиск

новых решений, оформленных в виде комплекта документации, используемой в дальнейшем для производства устройства. Процесс поиска представляет собой последовательность выполнения взаимообусловленных действий, процедур, которые, в свою очередь, подразумевают использование определенных методов.

Метод научного исследования - это способ познания действительности, опирающийся на совокупность ранее полученных знаний и принципов. Метод познания эволюционирует совместно с развитием науки. Применительно к оптическим системам метод заключается в совокупности' последовательных действий, приводящих к получению результата — созданию оптической схемы.

Можно выделить несколько видов метода исследования (рисунок 1.1):

• Эвристистический

• Экспериментальный

• Формализованный

В настоящей работе используются все перечисленные выше методы.

Мозговая атака

Методы исследования

Экспернменталь ный

Ч-

Формализванны й

Закономерности и

характеристики

Формулы

Алгоритмы

Рисунок 1.3.1 Основные методы исследования В основе эвристических методов лежит подсознательное мышление, которое характеризуется неосознанным (интуитивным) способом действий для достижения осознанных целей. Эвристические методы ещё называют методами инженерного

(изобретательного) творчества [14].

Эвристические методы постоянно совершенствуются и развиваются: от общих рекомендаций — к последовательности действий, далее — к алгоритмизованным методам и, наконец, к созданию искусственного интеллекта. Данные методы применяются инженерами - оптиками для анализа технического задания, сопоставления требуемой системы с уже существующими решениями.

Рассмотрим несколько методов эвристического познания [14]:

1. Метод декомпозиции

Исследуемая система рассматривается как сложная, состоящая из более простых взаимосвязанных подсистем, которые, в свою очередь, также могут быть разделены (декомпозированы) на части. В качестве систем могут выступать:

• материальные объекты,

• процесы,'

• явления,

• понятия.

Метод декомпозиции позволяет разложить сложную задачу на ряд простых, но взаимосвязанных задач, представить её в виде иерархической структуры.

2. Метод мозговой атаки (штурма)

Метод основан на коллективном обсуждении проблемы в психологически комфортной обстановке. Метод применяется не только для поиска путей решения задачи, но и уточнения её формулировки, выявления возможных недостатков или побочных эффектов (так называемый метод обратной мозговой атаки).

3. Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ)

На основе анализа собственного опыта и многочисленных патентов Г. С. Альтшуллер предложил метод под названием «алгоритм решения изобретательских задач» (АРИЗ, в котором слово «алгоритм» означало «четкая программа действий»). Позднее па его основе был создан более совершенный метод — Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ)[14].

Этот метод предназначен для выявления противоречий, мешающих совершенствованию технической системы, и выбора эффективного средства для их преодоления. ТРИЗ предлагает систему типовых приемов для устранения противоречий:

в процессе решения задачи последовательно просматривают все приемы, пытаясь реализовать предлагаемый совет либо на его основе развить решение.

Экспериментальные методы основаны на использовании реальных объектов и физических (химических, социальных и т. д.) моделей. Данные методы позволяют получить наиболее достоверные и надежные исходные данные и результаты решений, служат основой для разработки других методов и моделей. Однако степень объективности результатов исследований зависит от грамотности постановки и проведения эксперимента и обработки его результатов.

Экспериментальные исследования, в основном, ведутся с двумя целями:

• определение закономерностей и характеристик, присущих исследуемому объекту (например, частотно-контрастная характеристика объектива), и определение действительных значений его параметров (например, определение радиусов, толщин линзовой системы). Эта деятельность связана с экспериментальными исследованиями, поиском нового и неизвестного;

• сбор данных, которые будут содержать достаточные сведения для подтверждения правильности гипотез или ранее принятых решений (определение фактических характеристик, их соответствие заданным показателям качества, проверка технологических решений и т. д.). Такие работы связаны с проведением испытаний, то есть практической проверкой теорий и предположений. Испытания разработанного объекта обязательны для подтверждения возможности его запуска в производство. Порядок таких испытаний регламентируется ГОСТ 15.309-98.

Формализованные методы

Знание законов, лежащих в основе работы исследуемых объектов и процессов, позволяет использовать формализованные методы. Такие методы строятся на основе четких указаний посредством языка схем, математических формул, формальнологических отношений и алгоритмов. Главной их чертой является независимость получаемых результатов от индивидуальных черт человека.

Область применения формализованных методов постоянно расширяется. Это объясняется их следующими достоинствами:

• позволяют построить прогноз поведения изделия или процесса во времени и в пространстве;

• позволяют сравнительно быстро и дешево найти (рассчитать) несколько вариантов решений, что служит основой для выбора лучшего и, следовательно, конкурентоспособного изделия;

• позволяют определять параметры на ранних этапах проектных работ, когда вид создаваемых объектов или их макетов ещё точно не известен;

• позволяют поставить «чистый» эксперимент, то есть исследовать свойства и характеристики в зависимости от заданных параметров при отсутствии влияния (постоянстве) других параметров;

• обеспечивают психологический комфорт и снимают неопределенность и неуверенность в процессе решения задачи благодаря опыту и знаниям специалистов, создавших эти расчетные зависимости;

• позволяют автоматизировать деятельность.

Формализованным методом познания является моделирование оптической системы. В современной терминологии модель - это система, исследование которой служит средством для получения информации о другой системе, это упрощённое представление реального устройства или протекающих в нём процессов, явлений [15]. В свою очередь, моделирование - исследование объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих объектов, процессов или явлений с целью получения объяснений этих явлений, а также для предсказания явлений, интересующих исследователя.

Существует множество вариантов моделирования неизображающей оптической системы, однако относительно оптической системы удобнее использовать математическое и компьютерное моделирование.

К математическим моделям неизображающей оптической системы можно отнести:

• Модели геометрической оптики. Геометрическая оптика является основой моделирования прохождения светового луча. Оптический анализ используется для расчета траектории движения лучей.

• Модели волновой оптики. Волновая оптика (скалярная и векторная волновая теория) применяется тогда, когда в оптической системе присутствуют интерференционные фильтры или поляризация [16].

• Квантовая оптика

Геометрическая оптика описывает модели неизображающей оптической системы посредством уравнение Эйконала, принцип Ферма, система Гамильтона. Каждое из этих уравнений может быть логически выведено одно из другого.

Принцип Ферма показывает, что свет выбирает один путь из множества близлежащих, требующих почти одинакового времени для прохождения [16]; другими словами, любое малое изменение этого пути не приводит в первом порядке к изменению времени прохождения траектории. Математически принцип Ферма имеет следующее выражение:

^=0 (1)

д И*п(а"15Х2,А"з)С//

и

где (х1гк2^з) - картезианские координаты точки п(х\ух,2^сг) - индекс преломления материала в точке (х^л); с11 - дифференциал оптического пути.

Вторая важнейшая геометрическая составляющая оптической модели - формула Гамильтона:

бх, с/д

^ = н

6т ъ бт ^ = дРз Н

с/г Рз (Уг Хз (2)

В формуле представлены 6 дифференциальных уравнений с переменными решением этих уравнений являются кривые в шестимерном пространстве, описанные функциями х, = хг(/ ),р, =/?,(/),¿=1,2,3.

В случае оптической системы с изотропным распределением индекса преломления функция Гамильтона может быть записана следующим образом:

Н = (п2{х„х2,х3 ) - р? - р1 - р1 )/2 ^

Первые три функции х,-= *,(/)> г—1,2,3 описывают траекторию луча в параметрической форме, р\,рг,рг -являются сопряженными переменными Х1ЛЛ соответственно.

Построение и исследование моделей облегчает изучение имеющихся в реальном устройстве свойств и закономерностей и часто экономит средства на производство прототипа . В отношении оптических систем моделью является представление системы оптических элементов, предмета и изображений, разрабатывается данная модель с целью изучения заданных свойств и улучшения характеристик.

Любая модель оптической системы должна обладать следующими свойствами

[15]:

• адекватность, то есть соответствие модели оптической системы исходной реальной системе и учет параметров и технических характеристик. Оценить адекватность выбранной модели, особенно, например, на начальной стадии проектирования, когда вид создаваемой системы ещё неизвестен, очень сложно. В такой ситуации часто полагаются на опыт предшествующих разработок или, если речь идет о компьютерном моделировании, применяются готовые программные решения;

• точность, то есть степень совпадения полученных в процессе моделирования оптической системы результатов с заранее установленными, желаемыми;

• универсальность, то есть применимость модели оптической системы к анализу ряда однотипных систем в одном или нескольких различных задачах проектирования;

В современном мире для моделирования той или иной оптической системы используют компьютерное программное обеспечение.

1.4. Инструментальные средства проектирования неизображтощих оптических систем

В качестве инструментальных средств расчёта и разработки неизображающих

оптических систем могут быть использованы несколько программ, наиболее распространенными из которых являются:

• Zemax

• Light Tools; ASAP;

• Trace pro OSLO

Рассмотрим их основные характеристики.

Программа ZEMAX представляет собой программный продукт для расчета и моделирования разнообразных оптических систем[17]. ZEMAX сочетает в себе два принципиально разных подхода к расчету оптических систем - так называемые последовательный и непоследовательный режимы расчета.

Непоследовательный режим расчета является наиболее подходящим для моделирования и оптимизации светооптических схем. Этот режим расчета предусматривает использование модели источника излучения и набора приемников для анализа прохождения света через интересующую оптическую систему.

Light Tools. Данная среда моделирования используется для изготовления виртуальных прототипов оптических систем различного применения [7]. Light Tools позволяет моделировать оптические системы для осветительных приборов наиболее удобным и рентабельным способом [8] и производить оптимизацию системы используя в качестве параметров характеристики оптических элементов, их расположение и параметры светильника для достижения лучшего результата [9].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Летуновская, Марина Валерьевна, 2014 год

Список литературы

1. В.Н. Васильев, И.Л. Лившиц, Д.И. Муромцев, Основы проектирования экспертных систем компановки объективов, С-Пб, Наука, 2012

2. БарановВ.К. Свойства параболоторических фоконов // Оптико-механическаяпромышленность 1965. №6.С. 1-4

3. Ploke М. Lichtfuhrungseinrichtungen mit starker Konzentrationswirkung, Optik, 25, 31, 1967.P. 24-30

4. The Optics of Nonimaging Concentrators: Light and Solar Energy, Academic Press, 1978.483 p.

5. free form XR photovoltaic concentrator: a high performance SMS3D design. Proc. SPIE 7043, High and Low Concentration for Solar Electric Applications III, 70430E (Septemberf-09, 2008); doi:10.1117/12.793714

6. R. Winston, J.C. Minano, P. Benitez, Nonimaging Optics, Elsevier, Academic Press, 2004

7. Optical Research Assosiates, "Light Tools. Introductory tutorial", ORA, - 2010

8. Optical Research Assosiates, "Light Tools. Modeling sources in Light Tools", ORA, -2010

9. Optical Research Assosiates, "Light Tools. Optimization tutoriall", ORA, - 2010

10. WinstonR., MinanoJ., BenitezP. Nonimaging optics. Academic Press, Elsevier, 2005.

11. Chaves J. Introduction to Nonimaging optics. CRC Press 2008. 485 p.

12. Minano, J.C. and Gonzalez, J.C., New method of design of nonimaging concentrators //Appl. Opt., 31, 3051, 1992.P. 15-18

13. Benitez, P. et al., SMS design method in 3D geometry: examples and applications //Nonimaging Optics: Maximum Efficiency Light Transfer VII, SPIE, 5185, 18, 2004.

14. Методы проектирования, [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://ru.science.wikia.com/wiki/MeTOflbi_npoeKTiipoBaHiw

15. Методы моделирования, [Электронный ресурс]. - Режим доступа https://ru.wikipedia.org/wiki/%CC%EE%E4%E5%EB%FC

16.М. Herzberger, "Modern Geometrical Optics", Interscience, New York, 1958

17. Radiant Zemax, User's manual, 2012

18.Bereault research ASAP, [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.breault.com

19. Application of Trace Pro, [Электронный ресурс]. - Режим доступа

www.lambdares.com

20. Benitez, P. Etenduc Preserving Mixing and Projection Optics for High Brightness LEDs Applied to Automotive Headlamps / P. Benitez, J. [and other] // Proc. SPIE, -2006. -Vol. 6342(2).

21. Pablo Benitez*, Juan C. Miñano, Julio Chaves and Asunción Santamaría, SMS freeforms for illumination, Adv. Opt. Techn. 2013; 2(4): 323-329

22. Benitez, P. Etendue-preserving mixing and projection optics for high-luminance LEDs, applied to automotive head-lamps / P. Benitez, [and other] // Optics Express, -2006. -Vol. 14(26).-P. 13014-13020.

23. J.C Miñano, P. Benitez, "Fermat's principle and conservation of 2D etendue", Nonimaging optics and Efficient Illumination Systems, Roland Winston, R. John Koshel ed., Procc.of SPIE Vol 5529., pp.87-95. (2004)

24. H. Hinterberger, R. Winston, "Efficient light coupler for threshold Cerenkov counters", Review of Scientific Instruments (1966)

25.Cassarly, 'Illumination merit functions', SPIE Optics and Photonics Conference, Pro c. S PIE, 6670, Nonimaging Optics and Efficient Illumination Systems IV, September 2007.

26. J. Nocedal; S.J. Wright, Numerical Optimization, 2nd Edition. Springer. (2006).

27. H. Reiner and P. Pardalos, eds., Handbook of Global Optimization (Kluwer, Dordrecht, The Netherlands 1995)

28.L.Piegl, W. Tiller,The NURBS Book, Springer-Verlag 1997 (2nd ed.)

29. A. Trafimuk, Ray tracing illuminates custom design of LED light sources //Laser Focus World, iss.l 1.2008. P. 45-49

ЗО.Чуриловский B.H., Теория оптических приборов. М.-JI.Машиностроение, 1966

31. Русинов М.М., Композиция оптических систем. Л.: Машиностроение, 1989.

32.Трембач В.В. Световые приборы. 2е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк. 1990. 463 с.

33. Соболь И.М. Численные методы Монте-Карло. М.:Наука, 1973. 154 с.

J