Применение кривых Безье для расчета неизображающих оптических систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Трофимук, Анатолий Андреевич

• Трофимук, Анатолий Андреевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Трофимук, Анатолий Андреевич

Оглавление

Введение

Глава 1. Методы расчета неизображающих оптических систем (ОБЗОР)

1.1 Концентрация света

1.2 Освещение

1.3 Автоматизированный расчет

1.4 Выводы

Глава 2. Осесимметричные линзы полного внутреннего отражения. Расчет и оптимизация

2.1 Принцип расчета. Проблемы, возникающие при расчете

2.2 Ограничения накладываемые на параметры линзы

2.3 Представление отражателя кривыми Безье

2.4 Автоматизированный расчет и трассировка лучей

2.5 Представление ПВО-линзы кривыми Безье, особенности методики расчета

2.6 Пример расчета ПВО-линзы с внутренней линзой

2.7 Пример расчета ПВО-линзы без внутренней линзы

2.8 Пример расчета отражателя

2.9 Выводы

Глава 3. Оптические системы, для формирования квадратных и прямоугольных пучков света

3.1 Математическое описание формы поверхностей и система для квадратного пучка

3.2 Вариант оптической системы для наклонных пучков, формирующих прямоугольное пятно света

3.3 Выводы

Глава 4 Поверхности для расчета отражателей и световых трубок

4.1 Поверхность вытягивания кривой Безье

4.2 Поверхность вытягивания кривой Безье вдоль другой кривой Безье

4.3 Расчет отражателя уличного освещения

4.4 Поверхность вращения кривой Безье вокруг оси, которая образована двумя

кривыми Безье

4.5 Пример световода, образованного поверхностями вытягивания кривых Безье

4.6 Выводы

Глава 5. Однолинзовые системы, формирующие ассиметричные пучки света

5.1 Поверхности вращения, образованные двумя различными кривыми Безье

5.2. Поверхности вращения, образованные четырьмя различными кривыми Безье

5.3. Поверхности вращения, образованные восемью различными кривыми Безье

5.4. Оптическая система, с ассиметричным профилем пучка, для освещения автомобильных тоннелей

5.5. Оптическая система, с ассиметричным профилем пучка для освещения пешеходного перехода, без ослепления водителей

5.6. Оптическая система для формирования круглого пятна от 3-х волоконно-оптических жгутов

5.7 Оптическая система с одним преломляющим элементом для уличного освещения

5.8 Выводы

Заключение

Литература

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Применение кривых Безье для расчета неизображающих оптических систем»

Введение

Актуальность работы

В настоящее время в ряде приложений возникает потребность в создании эффективных неизображающих систем. При этом разработчику этих систем необходимо использовать быстрый, простой и удобный инструментарий для автоматизации расчета подобных систем. Существующие средства автоматизации расчета, все еще не в полной мере позволяют реализовать потребности разработчиков. Для расчёта неизображающих оптических систем известные методы, разработанные для расчета сферической и близкой к ней асферической оптики, не применимы.

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, JLJI. Досколовича и др.

Важную роль при расчете также играет минимизация числа оптических поверхностей. Поэтому очень перспективно использование поверхностей свободной формы для создания подобных систем.

Поэтому разработка методов построения оптических систем на основе применения поверхностей свободной формы, алгоритмов и программ для их расчёта из условия оптимального распределения светового потока на поверхности требуемой формы является актуальной задачей исследования.

Цель работы

Целью работы является разработка методов построения оптических систем на основе применения поверхностей свободной формы на основе кривых Безье, алгоритмов и программ для автоматизированного расчета неизображающих оптических систем на основе применения кривых Безье.

Задачи исследования

1. Анализ известных методов построения и расчёта неизображающей оптики.

2. Анализ применимости кривых Безье к расчету оптических систем и построение математических уравнений поверхностей, основанных на использовании кривых Безье.

3. Анализ метода оптимизации и расчёта оптики светодиодов.

4. Исследование оптических систем, формирующих прямоугольные пучки света в широком пучке лучей.

5. Исследование оптических систем, формирующих заданное асимметричное распределение силы света источника излучения.

Методы исследования

1. Методы аналитической геометрии

2. Компьютерное моделирование оптических систем

3. Численные методы решения нелинейных систем уравнений

4. Методы оптимизации оптических систем, при непоследовательной трассировке лучей.

Научная новизна

1. Для увеличения скорости трассировки лучей и упрощения параметрического представления оптических поверхностей выполнено упрощение кривой Безье.

2. Получены восемь видов уравнения поверхности, образованной вращением кривых:

- кривой Безье по окружности или по эллипсу;

- кривой, полученной вытягиванием кривой Безье вдоль прямой;

- кривой, полученной вытягиванием кривой Безье вдоль другой кривой Безье;

- кривой, полученной вытягиванием кривой Безье вдоль отрезка полярной кривой п-Безье;

- кривой, которая формируется двумя кривыми Безье, при этом используется три различных кривых;

- четырьмя кривыми Безье, каждая из которых вращается по эллипсу в пределах угла, равного л/2;

- четырьмя кривыми Безье, каждая из которых вращается по кривой п-Безье в пределах угла, равного л/2;

- восьмью кривыми Безье, каждая из которых вращается по кривой

2 2

полярной функции R(ty)=Azo&(2<$) +Bsm(2<$) в пределах л/4, при этом образующая вращения изгибается под воздействием кривой п-Безье.

3. Создана библиотека программ на базе применения программы Zemax, описывающих объекты на основе кривых Безье.

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Упрощение кривой Безье, позволяющее увеличить скорость трассировки лучей и упростить параметрическую модель оптической системы.

2. Варианты уравнений преломляющих и отражающих поверхностей, образованных вращением кривых, полученных преобразованием кривых Безье, вдоль направляющих различной формы.

3. Вариант построения и расчета оптической системы, формирующей прямоугольный пучок света с большой расходимостью, а также варианты построения и расчета оптических систем, формирующих асимметричное распределение силы света от светодиодного источника излучения.

Практическая ценность работы

1. Разработанный инструментарий в виде пользовательских объектов и макросов программы Zemax с успехом применяется для автоматизированного расчета различного типа неизображающих оптических систем.

2 Рассмотренные схемы могут быть использованы для расчета оптических неизображающих систем.

3 Полученные уравнения поверхностей достаточно просты и удобны в использовании, и могут быть легко внедрены в CAD программы и программы расчета оптических систем.

Апробация работы

Результаты выполненных исследований были доложены на VII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых «КМУ - 2010» (20 -23 апреля 2010 г.), на VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых «КМУ - 2011» (12 - 15 апреля 2011 г.), на Всероссийском конгрессе молодых ученых «КМУ - 2012» (11 - 16 апреля 2012 г.), на международной конференции «Прикладная оптика-2012» (15-19 октября 2012).

По материалам диссертационного исследования опубликовано 4 работы, из них 2 в журналах из перечня ВАК.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Трофимук, Анатолий Андреевич

5.8 Выводы

1. Рассмотрены поверхности, формируемые 2-мя независимыми кривыми Безье, а также 2-мя кривыми с применением полярной кривой Безье

2. Рассмотрены поверхности, формируемые 4-мя независимыми кривыми Безье, а также 4-мя кривыми с применением полярной кривой Безье

3. Рассмотрены поверхности, формируемые 8-ю независимыми кривыми Безье, а также 8-ю кривыми с применением полярной кривой Безье

4. Введена функция радиуса

5. Рассмотрены примеры расчета систем с ассиметричным распределением силы света и особенности их расчета

Заключение

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие результаты:

1. Упрощенное выражение кривой Безье, служащее для формирования различных поверхностей;

2. Рассчитаны оптические системы для формирования прямоугольных пучков света;

3. Получены уравнения поверхностей на основе кривых Безье;

4. Эти поверхности могут применяться для расчета широкого круга задач неизображающей оптики;

5. Данные поверхности введены в программу расчета Zemax в виде пользовательских объектов (Dil);

6. Рассмотрены отражающие и преломляющие системы, формирующие ассиметричные пучки света с заданным распределением силы света.

По теме диссертации опубликованы следующие работы

1. Трофимук А. А. Математическое описание оптической системы для формирования прямоугольного светового пятна в наклонном пучке // Научно-технический вестник университета информационных технологий, механики и оптики, 2012, № 5 (81). с. 10-13

2. A. Trafimuk, Ray tracing illuminates custom design of LED light sources // Laser Focus World iss. 11 2008. P. 45-49

3. Trafimuk A. How to Create Surfaces of Revolution via User Defined Objects // Zemax knowledge base [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://www.radiantzemax.com/kb-en/Knowledgebase/How-to-Create-Surfaces-of-Revolution-via-User-Defined-Objects, свободный. Яз. англ. (дата обращения 13.06.2012).

4. Трофимук A.A. Применение кривых Безье при автоматизированном расчете неизображающих оптических систем // Оптический журнал, 2013, №4 (80) стр. 75-79

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Трофимук, Анатолий Андреевич, 2013 год

Литература

1. Баранов В.К. Свойства параболоторических фоконов // Оптико-механическая промышленность 1965. №6. С. 1-4

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

3. The Optics of Nonimaging Concentrators: Light and Solar Energy, Academic Press, 1978. 483 p.

4. Handbook of optics, 3rd ed., Mc Graw Hill, 2010. 496 p.

5. Cassarly W. Design of efficient illumination Systems. SC011, SPIE Professional Development course notes, 2007.

6. McCluney W. R. Introduction to Radiometry and Photometry. Artech, 1994. 248 p.

7. Smestad. G. et all., The thermodynamic limits of light concentrators // Sol. Energy Mater., iss. 21(99) 1990.

8. Ries H, Thermodynamic limitations of the concentration of electromagnetic radiation // J. Opt. Soc. Am., 72, 380, 1982. P. 25-28.

9. Welford W.T. and Winston R. High Collection Nonimaging Optics. Academic Press, San Diego, CA, 1989. 345 p.

10.Ries H. and Rabl A. Edge-ray principle of nonimaging optics, J. Opt. Soc. Am. A, 11,2627, 1994. P. 21-28

11.Greenman, P., Geometrical vector flux sinks and ideal flux concentrators // J. Opt Soc. Am., 71, 777, 1981. P. 93-101

12.Winston, R. and Welford, W.T., Ideal flux concentrators as shapes that no not disturb the geometrical vector flux field: a new derivation of the compound parabolic concentrator // J. Opt. Soc. Am. A, 69, 536, 1979. P. 54-57

И.Гершун A.B. Световое поле, M.—Л. 1936.

14.Winston R., Minano J., Benitez P. Nonimaging optics. Academic Press, Elsevier, 2005.

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

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

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

18. Minano J.C. et al., High efficiency nonimaging optics, United States Patent 6.639.733, 2003.

19. Minano J.C. et al., Imaging optics designed by the simultaneous multiple surface method, United States Patent Application 20100042363, 2010.

20.Слюсарев Г.Г. Расчет оптических систем. Л.: Машиностроение, 1975. 640с.

21. Дубовик А. С., Апенко М. И., Дурейко Г. В. и др. Прикладная оптика Учебное пособие для вузов. М., Недра, 1982. 612 с.

22. Айзенберг Ю.Б. Основы конструирования световых приборов: Учебное пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1996. 704 с.

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

24.Cassarly W. J. and Davenport Т. L., Non-Rotationally Symmetric Mixing Rods // Proc. SPIE 6342, 2006. P. 45-49

25. Coyne L. J. Distributive Fiber Optic Couplers Using Rectangular Lightguides as Mixing Elements // Proc. FOC '79. 1979. P. 160-164

26.X. Deng, X. Liang, Z. Chen, W. Yu, and R. Ma, Uniform Illumination of Large Targets Using a Lens Array, J. Appl. Opt. 25. 1986. P. 377-381

27.Nishi N., Jitsuno Т., Tsubakimoto K., Murakami M., Nakatsuma M., Nishihara K. and Nakai S. Aspherical Multi Lens Array for Uniform Target Illumination // Proc. SPIE 1870. 1993. P. 105-111

28.Elmer W. В., The Optics of Reflectors for Illumination // IEEE Trans. Industry Appl. 1A-19(5). September/October 1983. P. 776-788

29.Glassner A. S., et all. An Introduction to Ray Tracing, Academic Press, London, 1989. 296 p.

30.Gilray C. and Lewin I., Monte Carlo Techniques for the Design of Illumination Optics // IESNA Annual Conference Technical Papers, Paper #85. July 1996. P. 65-80

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

32.Bratley P., and Fox, B.L. Implementing Sobol's Quasirandom Sequence Generator // ACM Transactions on Mathematical Software, vol. 14. 1988. P. 88-100

33.A. Trafimuk, Ray tracing illuminates custom design of LED light sources // Laser Focus World, iss.ll. 2008. P. 45-49

34. Piegl L. und Tiller W. The NURBS Handbook, Springer, Berlin, 1997. 564 p.

35.Hill J.M.D., Skillicorn D.B., Casciola G., Morigi S., Sanchez-Reyes J. Degree elevation for p-Bezier curves // Computer Aided Geometric Design, Vol. 15, Number 4. April 1998. P. 313-322

36. Cakmakci O. et all. Optimal local shape description for rotationally non-symmetric optical surface design and analysis // Opt. Express 16, 1583-9. 2008. P. 65-67

37.Kudaev S., Schreiber P., Automated optimization of non-imaging optics for luminaries // Proc. SPIE 5962. 2005. P. 87-95

38. Brent R.P. Algorithms for minimization without derivatives. Prentice-Hall, New Jersey, 1973. 275 p.

39. Hill J.M.D., Skillicorn D.B., Casciola G., Morigi S., Sanchez-Reyes J. Degree elevation for p-Bezier curves // Computer Aided Geometric Design. Vol. 15. №4. 1998. P. 313-322.

40.Trafimuk A. How to Create Surfaces of Revolution via User Defined Objects // Zemax knowledge base [Электронный ресурс]. — Режим доступа http://www.radiantzemax.com/kb-en/Knowledgebase/How-to-Create-

Surfaces-of-Revolution-via-User-Defined-Objects, свободный. Яз. англ. (дата обращения 13.06.2012).

41. ANSI IESNA RP-8-00. Practice for Roadway Lighting. - Approved 27.06.2000. - American National Standard Institute Inc. - P. 70.

42. CIE 140-2000. Road Lighting Calculations. - Approved December 2006. -International Commission on Illumination. - P. 28.