Разработка оптических систем кругового излучения для задач транспортной коммуникации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Богданов Николай Николаевич

• Богданов Николай Николаевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Богданов Николай Николаевич

Реферат

Введение

Глава 1. Обзор научно-технической литературы

1.1. Методы проектирования оптических систем с поверхностями свободной формы

1.2. Проектирование оптических элементов для светосигнального оборудования

1.3. Беспроводные оптические системы связи

1.4. Системы транспортной коммуникации

1.5. Вычисление фотометрических величин

Глава 2. Модификация метода соответствия лучей для проектирования оптических систем кругового излучения, содержащих поверхности свободной формы

2.1. Алгоритм метода соответствия лучей

2.2. Фотометрическое тело. Алгоритм формирования требуемого фотометрического тела и его сегментация на равные световые потоки

2.3. Плоский ламбертовский источник излучения. Математическое описание сегментации фотометрического тела

2.4. Расчет координат точек оптических поверхностей. Формирование полигональной сетки, описывающей поверхности

2.5. Группа источников света. Модель интегрального источника излучения

2.6. Алгоритм модифицированного метода расчета преломляющих оптических систем кругового излучения. Метод автоматизированного проектирования оптических систем кругового излучения

Выводы по главе

Глава 3. Проектирование оптических систем кругового излучения для устройств транспортной коммуникации

3.1. Расчет оптической системы для устройства заградительного огня

3.2. Расчет оптических систем, для устройств беспроводной оптической связи между транспортными средствами

Выводы по главе

Глава 4. Метод проектирования оптических систем по заданному

распределению яркости

Выводы по главе

Заключение

Список сокращений

Словарь терминов

Список литературы

Приложение 1. Тексты публикаций

Приложение 2. Акты внедрения результатов

Реферат

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка оптических систем кругового излучения для задач транспортной коммуникации»

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Приборы на основе светодиодов широко внедрены практически во все сферы деятельности человека. Высокие темпы роста светотехнического рынка объясняются высокой световой эффективностью светодиодов, до 170-200 лм/Вт, и снижением стоимости продукции. Для повышения эффективности использования светового потока и, в целом, энергоэффективности оптико-электронного устройства необходимо применение оптических элементов, работающих совместно со светодиодами и обеспечивающих требуемое распределение излучения в пространстве.

Подобные светодиодные устройства входят в состав не только осветительных установок общего назначения, но также являются важной частью навигационного и светосигнального оборудования, а также систем беспроводной оптической связи.

Для обозначения конструкций сооружений высотой более 45 метров, расположенных в зонах полета авиационного транспорта, используются светосигнальные устройства специального назначения - системы заградительных огней. Различают несколько типов заградительных огней в зависимости от величины интенсивности света: заградительные огни с высокой интенсивностью, средней и малой интенсивностью. Технические требования для таких светосигнальных устройств, в том числе и требования к угловому распределению силы света, определяются в Авиационных правилах. Одним из основных требований к таким оптико-электронным устройствам является обеспечение кругового (на 360 градусов) излучения определенной интенсивности в горизонтальной плоскости, а также строго определенного распределения интенсивности излучения по углу возвышения в вертикальной плоскости.

Развивающаяся в настоящее время система беспроводной оптической связи Ы-Б1 является перспективной, она актуальна в современных научных исследованиях и может применяться там, где радиоволновые беспроводные системы связи использовать нельзя, так как возможно влияние на другие

устройства, например, обеспечивающие безопасность и жизнедеятельность человека. Некоторыми сферами применения данной технологии являются медицина, авиация, транспорт. Благодаря использованию широкого спектра видимого излучения, Ы-Б1 обеспечивает защищенные каналы связи и высокую скорость передачи данных. Как и для любого другого типа связи, устройства передачи и приема сигнала являются важными аспектами для Ы-Б1 технологии. В качестве источников сигнала могут выступать светодиоды, а в качестве приемника сигнала - фотодиоды.

Диаграмма излучения обычного светодиода близка к диаграмме излучения ламбертовского источника, что не всегда позволяет формировать определенные условия освещения и, кроме того, не обеспечивает необходимую зону покрытия сети беспроводной связи.

Так же, как и для светосигнальных устройств заградительных огней, одним из основных требований к системам беспроводной оптической связи Ы-Б1 является обеспечение кругового излучения в плоскости горизонта и заданного углового распределения интенсивности в вертикальной плоскости. А точность формирования диаграммы излучения и обеспечение определенного уровня интенсивности для устройств передачи беспроводной оптической связи Ы-Б1 влияет на точность зоны покрытия сети передачи. Для обеспечения кругового излучения требуемой интенсивности возникает необходимость использования нескольких разнонаправленных источников излучения в одном передающем устройстве. Также стоит отметить, что оптико-электронные устройства приемников светового сигнала для Ы-Б1 технологии нуждается в расширении поля зрения для того, чтобы обеспечить прием излучения в широкой области пространства.

К сожалению, существующие методы проектирования не позволяют эффективно рассчитывать системы кругового излучения по целому ряду причин. В частности, метод соответствия лучей позволяет корректно рассчитать форму поверхности оптического элемента только для единичного точечного источника излучения, что не обеспечивает требований к высокому уровню интенсивности

кругового излучения. Кроме того, существующие методы не обеспечивают учет переотражения света на поверхностях устройства, а это, в свою очередь, приводит к отклонению углового и пространственного распределения выходного излучения от заданного.

Данное диссертационное исследование направлено на решение задачи модификации существующих методов, которые можно использовать для создания оптических и оптико-электронных приборов, систем и комплексов различного назначения, и, в частности, методов проектирования оптических систем с элементами свободной формы для систем кругового излучения, формирующих требуемое угловое распределение излучения в пространстве, а также на разработку такого рода систем и комплексов с использованием электромагнитного излучения оптического диапазона волн, предназначенных для решения задач передачи и приема информации.

При этом следует отметить, что данная работа не претендует на комплексность подхода к разработке устройств беспроводной связи Li-Fi, а ограничена исключительно проблемами расчета оптической части такого рода устройств. А именно, разработкой оптических систем (кругового излучения), которые бы обеспечивали заданное пространственное распределение несущего сигнал светового излучения в пределах заданного углового поля. Вопросы, связанные с теорией информации и, в частности, с проблемами обеспечения скорости передачи сигнала, выходят за рамки данного диссертационного исследования.

Целью настоящей работы является модификация методов проектирования преломляющих оптических элементов для оптических систем кругового излучения, а также разработка, совершенствование и исследование характеристик оптических систем, предназначенных для решения задач транспортной коммуникации.

Задачи работы. Для реализации установленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести аналитический обзор научно-технических источников, посвященных оптическим системам кругового излучения и методам проектирования такого рода оптических устройств с элементами свободной формы.

2. Формализовать метод соответствия лучей, применяемый для проектирования преломляющих оптических систем, конструкция которых содержит поверхность свободной формы, формирующих заданное распределение интенсивности излучения, и провести его модификацию с целью разработки оптических систем кругового излучения.

3. Разработать алгоритм модифицированного метода проектирования преломляющих оптических элементов с поверхностями свободной формы и реализовать его на языке программирования Python.

4. Показать эффективность применения оптического элемента для устройства заградительного светосигнального огня с шестью источниками света, формирующего заданное угловое распределение силы света.

5. Разработать оптическую систему кругового излучения для нескольких источников света и оптическую систему кругового обзора для фотодетектора, которые могут быть использованы в системах транспортной коммуникации.

6. Провести исследование преломляющих оптических элементов с поверхностями свободной формы для осветительных систем, формирующих заданное распределение яркости в трехмерной сцене для ряда положений наблюдателя.

Научная новизна работы

1. Предложена модель интегрального источника излучения, построенная на основе модификации сферических систем координат группы источников с разной ориентацией и объединения их фотометрических тел путем суммирования интенсивности излучения по всем направлениям, что позволило расширить область применения метода соответствия лучей с одного источника на множество разнонаправленных источников и избавиться от ошибок на этапе сегментации фотометрических тел.

2. Установлено, что учет двунаправленной функции отражения материалов и ряда позиций наблюдателя позволяет расширить область применения метода соответствия лучей для расчета оптических систем, формирующих заданное распределение яркости в трехмерной сцене с отклонением не более чем 10%.

3. Разработана методика расчета оптической системы для передающего устройства беспроводной оптической связи, используемого в задачах транспортной коммуникации, которая обеспечивает круговое излучение, что позволило передавать световой сигнал по всем направлениям в горизонтальной плоскости и в заданном угловом поле излучения в вертикальной плоскости.

Научная и практическая значимость

Результаты, полученные в диссертационном исследовании, могут использоваться при разработке оптических систем кругового излучения, которые могут применяться для светосигнальных устройств и для приемопередающих устройств беспроводной оптической связи формирующих требуемое

пространственное распределение светового потока, в частности:

• Предложена модель интегрального источника, объединяющая фотометрические тела нескольких разнонаправленных источников излучения в единое фотометрическое тело, которая может использоваться при проектировании оптических систем с поверхностями свободной формы с использованием метода соответствия лучей.

• Предложен новый метод расчета преломляющего оптического элемента с поверхностью свободной формы для светосигнальных систем и для передающих устройств беспроводной оптической связи Li-Fi с несколькими источниками излучения конечного размера, формирующий заданное распределение силы света в пространстве.

• Предложена схема оптического элемента устройства светосигнального заградительного огня, обеспечивающая круговое излучение в горизонтальной плоскости и требуемое угловое распределение интенсивности излучения в вертикальной плоскости.

Теоретические аспекты диссертационного исследования нашли свое применение в научных публикациях, а также в выступлениях на международных и отечественных научных конференциях.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Набор одиночных источников излучения (более трех) с различной ориентацией направлений максимумов излучения в пространстве можно описать моделью интегрального источника излучения на основе модификации сферических систем координат и суммирования интенсивностей по всем направлениям.

2. Предложенный модифицированный метод расчета преломляющих оптических элементов с поверхностями свободной формы на основе введения интегральной модели источника излучения, учитывающий переотражения на поверхностях, конечные размеры источников излучения и двунаправленную функцию отражения материалов, позволяет проектировать оптические системы с углом излучения 360° для группы разнонаправленных источников излучения с отклонением от заданного значения интенсивности излучения не более, чем 10%.

3. Предложенный модифицированный метод расчета преломляющих оптических элементов с поверхностями свободной формы, учитывающий переотражения на поверхностях, конечные размеры источников излучения и двунаправленную функцию отражения материалов, позволяет разрабатывать оптические системы для устройств транспортной коммуникации с эффективностью передачи светового потока не менее 90%.

Достоверность

Применение стандартных теоретических методов исследования, а именно, выполнение вычислений с использованием комплекса программ оптического моделирования Lumicept, а также численного метода трассировки лучей Монте-Карло, обеспечивает достоверность результатов исследования. Результаты работы прошли апробацию на научных конференциях и опубликованы в рецензируемых научных журналах.

Внедрение результатов работы

По результатам работы получен патент на полезную модель RU 178416 U1 (Владелец патента: Закрытое акционерное общество "КБ "СВЕТА-ЛЕД" (RU)). Полученные в работе результаты нашли свое применение при выполнении научно-исследовательских проектов в университете ИТМО по темам: №617026 «Разработка методов интеллектуального управления киберфизическими системами с использованием квантовых технологий», № 718546 «Управление киберфизическими системами», а также гранта РФФИ «Разработка методов, алгоритмов и вычислительной архитектуры для восстановления светооптических параметров реального окружения в системах дополненной и смешанной реальностей», код проекта 18-79-10190, проведение 2018-2021 гг.

Акты внедрения

Результаты работы внедрены на предприятиях:

1. ООО «ФС Лайт» (производитель светотехнического оборудования, г.

Санкт-Петербург).

2. ИПМ им. М. В. Келдыша РАН (Федеральный исследовательский центр, г.

Москва).

3. Aisi Photoelectric Co., Ltd (Китай).

Методология и методы исследования

В данной диссертационной работе используются методы геометрической оптики и математического анализа, методы оптимизации, методы интерполяции и аппроксимации, компьютерное моделирование оптических систем. Для моделирования распределения освещенности, яркости и интенсивности в программном обеспечении оптического моделирования Lumicept используется метод Монте-Карло для стохастической трассировки лучей.

Апробация работы проводилась на следующих российских и международных конференциях:

• European Optical Society Annual Meeting 2016 (EOSAM 2016)

• EVA 2017 Saint Petersburg

• GraphiCon 2017

• GraphiCon 2018

• GraphiCon 2019

• XLVII Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (2018)

• XLVIII научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (2019)

• SPIE Optical Systems Design, 2018, Frankfurt, Germany

• SPIE Digital Optical Technologies, 2019, Munich, Germany

• SPIE Photonics Asia 2018

• SPIE/COS Photonics Asia, 2019, Hangzhou, China

• VII Конгресс Молодых ученых (КМУ)-2018

• К Конгресс Молодых ученых (КМУ)-2020

• GraphiCon 2020

• SPIE/COS Photonics Asia, 2020 Личный вклад автора

Все приведенные в работе алгоритмы расчета оптических элементов и их моделирование выполнены лично соискателем либо при его определяющем участии. Автор выражает свою благодарность соавторам, в особенности, сотрудникам факультета ПИиКТ Университета ИТМО кандидату технических наук Потемину И.С., кандидату физико-математических наук Жданову Д. Д. и Жданову А. Д. за помощь в реализации алгоритмов и обсуждении полученных результатов.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Материал диссертации, включая реферат, изложен на трехстах четырех (304) страницах, содержит шестьдесят два (62) рисунка, одну (1) таблицу и список цитируемой литературы из ста тридцати трех (133) наименований.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы. Представлена научная новизна и приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит 5 разделов с обзорами научно-технической литературы.

Первый раздел посвящен основным методам проектирования оптических элементов, которые содержат поверхности свободной формы. Базовые методы проектирования оптических элементов свободной формы были рассмотрены в работах Minano, Benitez, Feng, Wang и др. Одним из первых методов проектирования, с помощью которого можно было рассчитать оптические системы для светодиодных источников излучения, а также для приемников излучения, является метод одновременного расчета нескольких поверхностей (англ. SMS 3D method). Данный метод позволяет рассчитать несколько преломляющих или отражающих поверхностей при условии модификации двух падающих волновых фронтов в два требуемых волновых фронта. Главным аспектом, вызывающим трудности при использовании такой концепции, является определение вида волновых фронтов, которые характеризуют распределение энергии источника, и волновых фронтов, описывающих необходимое распределение энергии. Данная задача является достаточно сложной, и до сих пор не разработан общий подход к её решению, что создает определенные трудности в применении такого метода на практике. Метод соответствия лучей (Light Energy Mapping Design Method) широко применяется для проектирования ввиду его практичности, удобства в модификациях, простоты в реализации и эффективности, что является важным критерием при выборе метода среди других. Идея реализации такова: во-первых, предполагается, что вся энергия, излучаемая источником света равна энергии, принимаемой расчетной поверхностью. Во-вторых, пространственное распределение энергии источника света и расчетной поверхности разделяется на несколько сегментов. В соответствии с методом краевого луча появляются взаимосвязи между энергией в каждом сегменте сетки

источника света и сегменте сетки расчетной поверхности. Наконец, в соответствии с законом Снеллиуса и определенными методами построения поверхности можно вычислить координаты точек оптической поверхности свободной формы, которую потом можно верифицировать с помощью инструментов оптического моделирования. Метод соответствия лучей удобен для реализации, ввиду отсутствия сложных дифференциальных уравнений и возможности применения автоматической оптимизации формы оптической поверхности. Однако, существует ряд проблем, связанных с всплесками энергии (hotspots) и отсутствием информации о применении метода (или его модификации) при наличии нескольких разнонаправленных источников света: метод работает с учетом закона сохранения энергии и не учитывает френелевские потери. Коме того, отсутствует информация об эффективности метода при использовании не ламбертовского источника света.

Градиентные методы расчета оптических систем рассматриваются в работах Моисеева, Досколовича и др. Методы основаны на оптимизации функции, которая определяет длину пути луча света (эйконал), и предназначена для формирования определенного распределения углового излучения. Методы не предполагают учет френелевских потерь на поверхностях, что не позволяет рассчитывать осветительные системы с широким углом излучения. В некоторых работах предлагается метод расчета преломляющей поверхности, в котором поверхность рассматривается в виде бикубического сплайна и применяется специальное интегральное выражение для вычисления требуемого распределения излучения в пространстве. К недостаткам метода можно отнести сложный математический аппарат, отсутствие возможности расчета оптических систем с несколькими разнонаправленными источниками света, использование только ламбертовского источника света. Также существуют методы расчета рефракционных оптических элементов, в которых задача расчета профиля сводится к интегрированию трех дифференциальных уравнений для осесимметричных систем и модификации методики согласованных квадрик, для которой профили поверхностей представляет собой бикубические сплайны. К

недостаткам можно отнести невозможность применения метода для расчета систем кругового излучения с несколькими источниками света, сложную реализацию на практике, ввиду применения дифференциальных уравнений, а также отсутствие информации о построении геометрии оптических поверхностей.

Во втором разделе рассматриваются различные конструкции систем кругового излучения для устройств светосигнального оборудования.

Одна из первых конструкций российских заградительных огней малой интенсивности описана в работе Басова Ю. и др. В устройстве, конструкция которого представлена на рисунке 1, использовалось от двадцати одного до двадцати семи светодиодов. Светодиоды размещены на пирамидальной поверхности, излучение ориентировано в верхнюю полусферу, вся конструкция закрыта сверху защитным колпаком в виде полусферы. Неравномерность интенсивности в горизонтальной плоскости 1тах/^е составляла 20-30%. Без оптических элементов устройство излучало большую долю светового потока в нерабочих направлениях и было не энергоэффективным.

Рисунок 1 - Внешний вид заградительного огня и его схема. 1 - корпус из силумина, 2 - защитный колпак, 3 - держатель, 4 - уплотнительная прокладка, 5 -кольцевой элемент, 6 - прокладка, 7 и 12 - съемные кронштейны, 8 и 9 - группы светодиодов, 10 и 11 - съемная полая усеченная пирамиды с совпадающими

осями, 13 - фланцы, F' - центр светодиода, а F'O' - осевая линия излучения

светодиода

С постепенным развитием светодиодных технологий появилось больше работ, направленных на применение светодиодов в стандартных светосигнальных огнях вместо ламп накаливания. Однако из-за отсутствия оптических элементов устройства оставались не энергоэффективными.

В работе Cheng H. представлен один из методов проектирования оптического элемента для светосигнального оборудования для аэродрома -центрального посадочного огня. Светосигнальное оборудование данного типа формирует излучение в диаметрально противоположных направлениях в узком конусе. Оптическая система содержит оптический элемент свободной формы, формирующий распределение света в узком конусе, и призму, отклоняющую излучение на заданный угол, конструкция представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Оптическая схема центрального посадочного огня и его виды

Эффективность системы составляет 79.2%. Наличие призмы снижает ее эффективность. Разработка единого оптического элемента позволила бы формировать требуемое распределение излучения с отклонением на определенный угол. Предлагаемый метод расчета оптического элемента позволяет проектировать один оптический элемент для одного источника света, и

его невозможно применить для проектирования оптического элемента, формирующего круговое излучение с несколькими источниками.

Работа Хи С. посвящена расчету оптических элементов для аэродромного рулежного огня, формирующих круговое излучение с заданным распределением силы света. В системе используется один источник света. Первый вариант оптического элемента представлен на рисунке 3. Линза с боковым излучением является осесимметричной, профиль для половины линзы показан на рисунке 3 (а), он состоит из пяти элементов. Первый элемент — это поверхность полусферы в нижней части линзы, которая не меняет угол выхода луча от светодиода. Второй элемент представляет собой преломляющую поверхность свободной формы, рассчитанную в декартовой системе координат геометрическим способом. Третьим элементом является отражающая поверхность свободной формы. Излучение от точечного источника испытывает преломление на второй (2) поверхности и далее отражается на третьей поверхности (3) в направлении, параллельном горизонтальной оси. Четвертый элемент представляет собой вертикальную боковую стенку, а пятый элемент представляет собой соединительную линию между поверхностями 2 и 4, которая имеет определенный угол, соответствующий горизонтальной линии. На рисунке 3 (а) точка А является начальной точкой поверхности 3, а точка В является начальной точкой поверхности 2, а - горизонтальное расстояние между точками А и В. Вертикальные высоты точек А и В равны, 0 - угол между вертикальной осью и падающим лучом через точку В от светодиода. Поэтому значения а и 0 определяют размер линзы, если другие условия являются инвариантными. Эффективность такой конструкции составляет 84%.

Рисунок 3 - Сечения оптических элементов для рулежных огней Другой тип оптической системы показан на рисунке 4. Линза также состоит из пяти элементов. Угол между вертикальной осью и крайним лучом, излучаемым от светодиода к границе поверхности 1, составляет 0. В этом диапазоне угла лучи преломляются через внутреннюю поверхность 1 свободной формы. Четвертый элемент представляет собой плоскую отражающую поверхность, которая установлена под углом 45° относительно горизонтальной оси. В этом типе линзы используется плоская отражающая поверхность вместо отражающей поверхности свободной формы, поэтому коллимированный свет в вертикальном направлении отражается в направлении, параллельном горизонтальной оси. Пятый элемент - вертикальная боковая стенка. Лучи от источника преломляются на цилиндрической поверхности, а затем и на третьей поверхности свободной формы. Эффективность передачи светового потока такого оптического элемента составила 75%.

Рисунок 4 - Сечения оптических элементов для рулежных огней

Недостатком предлагаемых схем является сложность конструкций и низкая технологичность, при реальных условиях эксплуатации усложняется обслуживание в сложно доступных местах. К сожалению, данный метод расчета не принимает во внимание конечные размеры ИС. Расчет предполагал использование только одного точечного источника света, что накладывает ограничение на применение его в случае необходимости использования светового потока больше, чем от одного светодиода. В случае применения светодиодной матрицы с существенно большими габаритами метод не обеспечит требуемое распределение излучения в пространстве. Френелевские потери не учитывались, энергоэффективность низкая.

У существующих коммерческих продуктов светосигнального оборудования применяются оптические элементы, которые были спроектированы для ламп накаливания. Вариант устройства заградительного огня представлен на рисунке 5.

ш-

Груд ЗА'

Рисунок 5 - Типовые коммерческие заградительные огни малой

интенсивности

В некоторых моделях применяется поясная линза, которая больше подвержена загрязнению, чем гладкие поверхности. Применение светодиодов позволяет уменьшить габариты и массу оптического элемента и прибора в целом, что также можно рассматривать как улучшение конструкции светосигнального оборудования. Возможность проектирования оптических элементов позволит сделать их более технологичными как при изготовлении самих элементов, так и при сборке светосигнального устройства.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Богданов Николай Николаевич, 2020 год

ИС источник света

КСС кривая силы света

ДФО двунаправленная функция отражения

ДФР двунаправленная функция рассеяния

BRDF the bidirectional reflectance distribution function

ПММА полиметилметакрилат

СКО среднеквадратичное отклонение

d диаметр

r радиус

COB chip-on-board - кристалл на плате Словарь терминов

SMS3D метод: англ. SMS - simultaneous multiple surfaces - одновременный расчёт нескольких поверхностей

Light Energy Mapping Design Method: метод соответствия лучей Li-Fi: это двунаправленная высокоскоростная беспроводная коммуникационная технология. Такой вид передачи данных использует световое излучение в открытом пространстве без волновода, как канал связи (в отличие от радиоволн в Wi-Fi). В случае светового излучения видимого диапазона, то можно считать, что Li-Fi принадлежит к технологиям VLC.

VLC: (англ. Visible Light Communication, связь по видимому свету) — технология, которая позволяет источнику света, в дополнение к освещению, передавать информацию, используя тот же самый световой сигнал.

Wi-Fi: технология беспроводной локальной сети с устройствами на основе стандартов IEEE 802.11. Логотип Wi-Fi является торговой маркой Wi-Fi Alliance. Под аббревиатурой Wi-Fi (от английского словосочетания Wireless Fidelity, которое можно дословно перевести как «беспроводная точность») в настоящее

время развивается целое семейство стандартов передачи цифровых потоков данных по радиоканалам.

Поверхности свободной формы (freeform surfaces): к поверхностям свободной формы (англ. freeform surface) относятся поверхности, отличные от канонических (плоскости, сферы, цилиндра, конуса, тора), получаемые путем протягивания профиля вдоль трехмерной кривой, построения сплайновой поверхности по контрольным точкам, гладкого сопряжения между двумя лоскутами и т.п.

Энергоэффективность: эффективность оптической системы, отношение светового (радиометрического) потока на выходе из оптической системы к световому (радиометрическому) потоку от источника излучения.

Публикации по теме диссертационной работы

Статьи в изданиях, индексируемых в базе цитирования Scopus, Web of science:

1. Sokolov V.G., Zhdanov D.D., Potemin I.S., Bogdanov N.N., Zhdanov A.D., Denisov E. Reconstruction of BSDF based on optimization of microrelief normal distribution // GraphiCon 2017: труды 27-й Международной конференции по компьютерной графике и машинному зрению [GraphiCon 2017 - 27th International Conference on Computer Graphics and Vision] - 2017, pp. 37-41

2. Sokolov V. G. et al. Optimization based on reconstruction of volume scattering medium parameters //Illumination Optics V. - International Society for Optics and Photonics, 2018. - Т. 10693. - С. 1069312.

3. Zhdanov D.D., Ershov S.V., Potemin I.S., Galaktionov V.A., Bogdanov N.N. Efficient methods of BSDF reconstruction from the micro-relief dataset for the lighting simulation tasks // Proceedings of SPIE - 2018, Vol. 10693, pp. 1069310

4. Bogdanov N.N., Zhdanov A.D., Zhdanov D.D., Potyomin I.S. Analysis of errors in the relief of scattering microstructures in light-conducting systems modelling // Light & Engineering - 2018, Vol. 26, No. 3, pp. 22-28

5. Bogdanov N., Zhdanov A.D., Zhdanov D.D., Potyomin I.S., Sokolov V.G., Denisov E.Y. A bidirectional scattering function reconstruction method based on

optimization of the distribution of microrelief normals // Light & Engineering - 2019, Vol. 27, No. 1, pp. 25-32

6. Bogdanov N. et al. Algorithm of design optics for illumination system with wide beam angle //Optical Design and Testing IX. - International Society for Optics and Photonics, Proc. SPIE, Vol. 11185, 2019, pp. 1118515-1-9. doi: 10.1117/12.2537612

Статьи в изданиях из перечня ВАК:

1. Богданов Н. Н., Жданов Д. Д., Потемин И. С. Метод расчета оптического элемента для заградительного огня малой интенсивности //Известия высших учебных заведений. Приборостроение. - 2020. - Т. 63. - №. 7.

2. Богданов Н. Н., Потемин И. С., Жданов Д. Д. Метод расчета оптических элементов для устройств Li-Fi-связи транспортных средств //Известия высших учебных заведений. Приборостроение. - 2020. - №. 8.

Патенты:

1. Н. Н. Богданов, К. Ю. Калиничев, А. Е. Суетов патент на полезную модель №178416 «Светодиодный светильник» - 2018

Прочие публикации:

1. Zhdanov D.D., Potemin I.S., Kishalov A., Zhdanov A.D., Bogdanov N.N. Stochastic ray tracing methods in problems of photorealistic image synthesis for augmented reality systems//GraphiCon 2017: труды 27-й Международной конференции по компьютерной графике и машинному зрению [GraphiCon 2017 -27th International Conference on Computer Graphics and Vision], 2017, pp. 42-46 (Scopus, Web of science)

2. Bogdanov N.N., Zdanov D., Potemin I., Zhdanov A.D. Design of Ergonomic Illumination Systems for Cultural, Medical, Educational Facilities//The Educational Review, 2017, No. 1(4), pp. 85-90

3. Zhdanov A.D., Zhdanov D.D., Potemin I.S., Bogdanov N.N. Virtual prototyping of complex illumination systems for cultural, medical and educational

facilities//EVA 2017 Saint Petersburg: Electronic Imaging and the Visual Arts, 2017, pp. 112-117 (РИНЦ)

4. Bogdanov N.N., Zhdanov D.D., Potemin I.S., Zhdanov A.D. Design of Ergonomic Illumination Systems for Cultural, Medical and Educational Facilities//EVA 2017 Saint Petersburg: Electronic Imaging and the Visual Arts, 2017, pp. 106-111 (РИНЦ)

5. Жданов А.Д., Богданов Н.Н., Потемин И.С. Эффективные методы восстановления двунаправленной функции рассеивания по данным о микрорельефе поверхности в задачах моделирования света//Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание - 2018 (Тезисы)

6. Жданов А.Д., Богданов Н.Н., Жданов Д.Д. Оценка качества изображения систем дополненной реальности методами стохастической трассировки лучей//Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание - 2018 (Тезисы)

7. Sokolov V.G., Zhdanov D.D., Potemin I.S., Barladian B., Bogdanov N. Optimization based on reconstruction of volume scattering medium parameters//Proceedings of SPIE, 2018, Vol. 10693, pp. 1069312 (Scopus, Web of science)

8. Potemin I.S., Livshits I., Zdanov D., Zhdanov A., Bogdanov N. An application of the virtual prototyping approach to design of VR, AR, and MR devices free from the vergence-accommodation conflict//Proceedings of SPIE, 2018, Vol. 10694, pp. 1069404 (Scopus, Web of science)

9. Potemin I.S., Zhdanov D.D., Zhdanov A.D., Bogdanov N.N., Voloboy A.G. Hybrid ray tracing method for photorealistic image synthesis in head-up displays//Proceedings of SPIE, 2018, Vol. 10690, pp. 106900I (Scopus, Web of science)

10. Potemin I.S., Zhdanov A., Bogdanov N., Zhdanov D., Livshits I., Wang Y. Analysis of the visual perception conflicts in designing mixed reality systems//Proceedings of SPIE, 2018, Vol. 10815, pp. 108150U (Scopus, Web of science)

11. Соколов В.Г., Жданов Д.Д., Потемин И.С., Барладян Б.Х., Богданов Н.Н., Жданов А.Д. Восстановление двунаправленной функции рассеяния света для среды с объемным рассеянием [Reconstruction of BSDF for the volume scattering medium] // Труды международной конференции по компьютерной графики и зрению "ГрафиКон" [International Conference on Computer Graphics and Vision, GraphiCon] -2018. - № 28. - С. 56-60 (Scopus)

12. Жданов А.Д., Жданов Д.Д., Богданов Н.Н., Потемин И.С., Галактионов В.А., Лившиц И.Л. Использование методов виртуального прототипирования при разработке устройств виртуальной реальности, не подверженных проблеме конфликта вергенции и аккомодации зрения [A virtual prototyping approach in designing the vergence-accommodation conflict-free VR devices] // Труды международной конференции по компьютерной графики и зрению "ГрафиКон" [International Conference on Computer Graphics and Vision, GraphiCon] -2018. - № 28. - С. 43-47 (Scopus)

13. Zhdanov A.D., Zhdanov D.D., Potemin I.S., Bogdanov N.N. Analysis of the visual perception conflicts in the mixed reality systems with the real-world illumination parameters restoration//Proceedings of SPIE, 2019, Vol. 11062, pp. 110620W 47 (Scopus)

14. Сорокин М.И., Жданов Д.Д., Потемин И.С., Барладян Б.Х., Богданов Н.Н., Жданов А.Д. Сегментация освещенных участков сцены с использованием полносверточных нейронных сетей и алгоритмов компьютерного зрения для систем дополненной реальности [Segmentation of illuminated areas of scene using fully-convolutional neural networks and computer vision algorithms for augmented reality systems] // Труды международной конференции по компьютерной графики и зрению "ГрафиКон" [International Conference on Computer Graphics and Vision, GraphiCon] -2019. - № 29. - С. 42-46 47 (Scopus)

15. Богданов Н.Н., Потемин И.С., Жданов Д.Д., Жданов А.Д., Сорокин М.И. Эффективный метод восстановления освещения в системах смешанной реальности с использованием HDR-изображения трехмерной сцены [The efficient method of illumination restoration in mixed reality systems with use of HDR image of

3D scene] // Труды международной конференции по компьютерной графике и зрению "ГрафиКон" [International Conference on Computer Graphics and Vision, GraphiCon] -2019. - № 29. - С. 26-31 47 (Scopus)

16. Zhdanov A.D., Zhdanov D.D., Potemin I.S., Bogdanov N.N., Bykovskii S. Possibility of vergence disagreement reducing on the base of approximate restoration of the depth map//Proceedings of SPIE, 2019, Vol. 11185, pp. 1118517 (Scopus)

17. Жданов А.Д., Жданов Д.Д., Богданов Н.Н., Потемин И.С., Галактионов В.А., Сорокин М.И. Проблемы дискомфорта зрительного восприятия в системах виртуальной и смешанной реальностей // Программирование -2019. -№ 4. - С. 9-18 (ВАК)

18. Sorokin M.I., Zhdanov A.D., Zhdanov D.D., Potemin I.S., Bogdanov N.N. Segmentation of illuminated areas of light using fully-convolutional neural networks and computer vision algorithms for augmented reality systems//Proceedings of SPIE, 2019, Vol. 11062, pp. 110621N (Scopus)

19. Сорокин М.И., Жданов Д.Д., Жданов А.Д., Потемин И.С., Богданов Н.Н. Восстановление параметров освещения в системах смешанной реальности с помощью технологии сверточных нейронных сетей по RGBD-изображениям // Программирование -2020. - № 3. - С. 24-34 (ВАК)

20. Sorokin M.I., Zhdanov D.D., Zhdanov A.D., Potemin I.S., Bogdanov N.N. Restoration of Lighting Parameters in Mixed Reality Systems Using Convolutional Neural Network Technology Based on RGBD Images//Programming and Computer Software, 2020, Vol. 46, No. 3, pp. 203-212 (Scopus)

Список литературы

1. Minano J. C. et al. An application of the SMS method for imaging designs //Optics express. - 2009. - Т. 17. - №. 26. - С. 24036-24044.

2. Benitez P. et al. SMS design method in 3D geometry: examples and applications //Nonimaging Optics: Maximum Efficiency Light Transfer VII. -International Society for Optics and Photonics, 2004. - Т. 5185. - С. 18-29.

3. Feng Z. et al. Designing double freeform optical surfaces for controlling both irradiance and wavefront //Optics express. - 2013. - Т. 21. - №. 23. - С. 2869328701.

4. Bösel C., Gross H. Ray mapping approach for the efficient design of continuous freeform surfaces //Optics express. - 2016. - Т. 24. - №. 13. - С. 1427114282.

5. Parkyn W. A. Design of illumination lenses via extrinsic differential geometry //Illumination and Source Engineering. - International Society for Optics and Photonics, 1998. - Т. 3428. - С. 154-162.

6. Parkyn W. A. Segmented illumination lenses for step lighting and wall washing //Current Developments in Optical Design and Optical Engineering VIII. -International Society for Optics and Photonics, 1999. - Т. 3779. - С. 363-370.

7. Wang L., Qian K., Luo Y. Discontinuous free-form lens design for prescribed irradiance //Applied optics. - 2007. - Т. 46. - №. 18. - С. 3716-3723.

8. Ding Y. et al. Freeform LED lens for uniform illumination //Optics Express. - 2008. - Т. 16. - №. 17. - С. 12958-12966.

9. Chen F. et al. Free-form lenses for high illumination quality light-emitting diode MR16 lamps //Optical Engineering. - 2009. - Т. 48. - №. 12. - С. 123002.

10. Wang K. et al. Freeform LED lens for rectangularly prescribed illumination //Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. - 2009. - Т. 11. - №. 10. - С. 105501.

11. Wang K. et al. Design of compact freeform lens for application specific light-emitting diode packaging //Optics Express. - 2010. - Т. 18. - №. 2. - С. 413-425.

12. Wang S. et al. Design of primary optics for LED chip array in road lighting application //Optics express. - 2011. - Т. 19. - №. 104. - С. A716-A724.

13. Zhao S. et al. Lens design of LED searchlight of high brightness and distant spot //JOSA A. - 2011. - Т. 28. - №. 5. - С. 815-820.

14. Yu S. et al. Freeform illumination lens design combining energy and intensity mapping //Optical Engineering. - 2017. - Т. 56. - №. 4. - С. 045101.

15. Ma D., Feng Z., Liang R. Freeform illumination lens design using composite ray mapping //Applied Optics. - 2015. - Т. 54. - №. 3. - С. 498-503.

16. Борн М., Вольф Э. Основы оптики: Пер. с англ. - Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1973.

17. Белоусов А. А., Досколович Л. Л., Харитонов С. И. Градиентный метод расчета эйконала для фокусировки в заданную область //Автометрия. -2007. - Т. 43. - №. 1. - С. 98-106.

18. Белоусов А. А., Досколович Л. Л., Харитонов С. И. Градиентный метод расчета преломляющих поверхностей для формирования заданных распределений освещенности //Автометрия. - 2008. - Т. 44. - №. 2. - С. 91.

19. Белоусов А. А., Досколович Л. Л. Градиентный метод решения задачи фокусировки в двумерную область при протяженном источнике //Компьютерная оптика. - 2007. - Т. 31. - №. 3.

20. Досколович Л. Л., Моисеев М. А. Расчет радиально-симметричных преломляющих поверхностей с учетом френелевских потерь //Компьютерная оптика. - 2008. - Т. 32. - №. 2.

21. Досколович Л. Л., Моисеев М. А. Расчет преломляющих оптических элементов для формирования диаграмм направленности в виде прямоугольника //Оптический журнал. - 2009. - Т. 76. - №. 7. - С. 70-76.

22. Moiseev M. A., Doskolovich L. L. Design of refractive spline surface for generating required irradiance distribution with large angular dimension //Journal of Modern Optics. - 2010. - Т. 57. - №. 7. - С. 536-544.

23. Кравченко С. В. и др. Расчёт оптических элементов с двумя преломляющими поверхностями из условия формирования заданной диаграммы направленности //Компьютерная оптика. - 2015. - Т. 39. - №. 4.

24. Кравченко С. В. и др. Расчёт осесимметричных оптических элементов с двумя асферическими поверхностями для формирования заданных распределений освещённости //Компьютерная оптика. - 2011. - Т. 35. - №. 4.

25. Moiseev M. A. et al. Design of LED refractive optics with predetermined balance of ray deflection angles between inner and outer surfaces //Optics express. -2015. - Т. 23. - №. 19. - С. A1140-A1148.

26. Basov Y. G., Sysun V. V. LED-based aviation obstruction lights //Journal of Optical Technology. - 2003. - Т. 70. - №. 5. - С. 354-357.

27. Адакин В. А., Иревлина П. С. Применение альтернативных источников освещения в огнях малой интенсивности на ВПП //Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения: материалы VII Международной научно-практической конференции. 4-5 февраля 2016 г.-Ульяновск: УГСХА им. ПА Столыпина, 2016.-Том II. - УГСХА им. ПА Столыпина, 2016.

28. Cheng H. et al. Design of compact LED free-form optical system for aeronautical illumination //Applied optics. - 2015. - Т. 54. - №. 25. - С. 7632-7639.

29. Xu C. Y., Cheng H. B. A free-form side-emitting lens for airfield lighting //Lighting Research & Technology. - 2018. - Т. 50. - №. 6. - С. 937-951.

30. Perez-Ocon F., Pozo A. M., Rabaza O. New obstruction lighting system for aviation safety //Engineering Structures. - 2017. - Т. 132. - С. 531-539.

31. ЗОМ // URL: http://zomlight.ru/ru/produkcija/zom-1.html (дата обращения 1.06.2020)

32. ЗОМ // URL: http://zomlight.ru/ru/produkcija/zom-1-al.html(дата обращения 1.06.2020)

33. ЗОМ // URL: https://zom-msk.ru/zom-polycarbonat (дата обращения 1.06.2020)

34. ЗОМ // URL: https://www.signalsvet.ru/products/zom-48led (дата обращения 1.06.2020)

35. Скляров О.К. Волоконно-оптические сети и системы связи. - М.: Салон-Пресс, 2004. - 272 с.

36. Эффективное и универсальное оборудование для надежной беспроводной оптической связи. Проспект ЗАО «Лазерные информационные телекоммуникации». - Екатеринбург, 2008.

37. Системы оптической связи. Каталог продукции ЗАО «Лазерные информационные телекоммуникации». - Екатеринбург, 2008.

38. Оборудование атмосферной оптической лазерной связи (FSO-Technology). Проспект Государственного Рязанского приборного завода и ООО «Мостком». - Рязань, 2008.

39. Система беспроводной оптической связи STS. Проспект ООО «Подсолнечник Технологии» и ОАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева». -М., 2008.

40. Беспроводные инфракрасные дуплексные системы связи. Проспект ФГУП «ОКБ МЭИ», - М., 2009

41. Product Brochure. Проспект фирмы «PAV Data Systems Ltd». - США,

2009.

42. Атмосферные оптические линии связи. Проспект фирмы «Квантово-оптические системы». - М., 2008.

43. Оптическая система связи ОСС. Проспект ООО НПП «Лазерные технологии» - Екатеринбург, 2009.

44. Атмосферные лазерные передающие системы ЛПС-Е1, ЛПС-Е2, ЛПС-Е3, ЛПС-10Е, ЛПС-100Е. Проспект НИИ «Полюс». - М., 2008.

45. Атмосферные лазерные передающие системы ТВ ТЕС Laser LINK. Проспект фирмы «Quarta Telecom». - М., 2008.

46. Система лазерная атмосферная 10 Мбит СЛА-10М «Ирис». Проспект ФГУП «Воронежский НИИ связи». - Воронеж, 2009.

47. Оборудование бесперебойной оптической связи серий SkyCell, SkyCom, SkyNet. - США, 2009.

48. Laser Based Friee Spase Optical Communication System. Проспект фирмы «Laser Bit Communication». - Венгрия, 2008.

49. Frank Deicke, W. K. (2012). Li-Fi: A New Paradigm in Wireless Communication. Retrieved from Li-Fi Consortium: http://www.lificonsortium.org/press3.html

50. Haas H. High-speed wireless networking using visible light //SPIE Newsroom. - 2013. - Т. 1. - №. 1.

51. TED talks. [Электронный ресурс]: https://www.ted.com/talks/harald_haas_wireless_data_from_every_light_bulb/transcript , 01.07.2020

52. Riurean S. et al. Li-Fi embedded wireless integrated medical assistance system //World Conference on Information Systems and Technologies. - Springer, Cham, 2019. - С. 350-360.

53. Porselvi S., Bhagyalakshmi L., Sanjay K. S. Healthcare monitoring systems using Li-Fi networks //Innovare Journal of Engineering & Technology. - 2017. - Т. 5. -№. 2. - С. 1-4.

54. Codd-Downey R., Jenkin M. LightByte: Communicating Wirelessly with an Underwater Robot using Light //ICINCO (2). - 2018. - С. 309-316.

55. Perwej Y. The next generation of wireless communication using Li-Fi (Light Fidelity) technology //Journal of Computer Networks. - 2017. - Т. 4. - №. 1. -С. 20-29.

56. [Электронный ресурс]: https://hardwarecomputing.wordpress.com/2013/02/04/led-to-replace-wifi-lifi/

57. [Электронный ресурс]: Technopits.blogspot.comtechnology.cgap.org /2012/01/11/a-li-fi-world/.

58. BeyondWebLogs. (2013). what is Li-Fi? Is this replacing Wi-Fi? Retrieved from Beyond Web Logs. [Электронный ресурс]:: http ://beyondweblogs. com/what-is-li-fi-is-this-replacing-wi-fi/.

59. Demba A., Möller D. P. F. Vehicle-to-vehicle communication technology //2018 IEEE International Conference on Electro/Information Technology (EIT). -IEEE, 2018. - P. 0459-0464.

60. NHTSA. Vehicle-to-Vehicle Communication. [Электронный ресурс]: https://www.nhtsa.gov/technology-innovation/vehicle-vehicle-communication, 24.07.20

61. Valavanidis A., The Shift to Diesel Fuel Engines and How the Emission Scandal of Diesel Vehicles Unfolded. World Energy Consumption of Transportation Sector. // Scientific Reviews. 2018. Vol. 1. P.1-26.

62. Всемирная организация здравоохранения. Доклад о глобальной дорожной безопасности. [Электронный ресурс]: https://www.who.int/violence_injury_prevention/road_safety_status/report/ru/, 24.07.2020.

63. Alam M., Ferreira J., Fonseca J. Introduction to intelligent transportation systems //Intelligent Transportation Systems. - Springer, Cham, 2016. - С. 11-13.

64. IEEE 1609 - Family of Standards for Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE). [Электронный ресурс]: https://www.standards.its.dot.gov/Factsheets/Factsheet/80, 24.07.20

65. Jin W. L. et al. SPIVC: A Smartphone-based inter-vehicle communication system //Proceedings of transportation research board annual meeting. - 2012.

66. Boukerche A. et al. Vehicular ad hoc networks: A new challenge for localization-based systems //Computer communications. - 2008. - Т. 31. - №. 12. - С. 2838-2849.

67. Haas H. et al. What is lifi? //Journal of lightwave technology. - 2015. - Т. 34. - №. 6. - С. 1533-1544.

68. Tsonev D., Videv S., Haas H. Light fidelity (Li-Fi): towards all-optical networking //Broadband Access Communication Technologies VIII. - International Society for Optics and Photonics, 2014. - Т. 9007. - С. 900702.

69. Haas H. LiFi is a paradigm-shifting 5G technology //Reviews in Physics. -2018. - Т. 3. - С. 26-31

70. Selvarani N. et al. A Li-Fi Technology Based Smart Vehicle //International Journal of Mechanical Engineering and Technology. - 2019. - Т. 10. - №. 3.

71. Nachimuthu S., Pooranachandran S., Aarthi B. S. Design and implementation of a vehicle to vehicle communication system using li-fi technology

//International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET). - 2016. - Т. 3. - №. 05.

72. Hernandez-Oregon G. et al. Performance analysis of V2V and V2I LiFi communication systems in traffic lights //Wireless Communications and Mobile Computing. - 2019. - Т. 2019.

73. Agyemang J. O., Kponyo J. J., Mouzna J. Light fidelity (LiFi) as an alternative data transmission medium in VANET //2017 European Modelling Symposium (EMS). - IEEE, 2017. - С. 213-217.

74. Kirrbach R., Jakob B., Noack A. Introducing Advanced Freeform Optic Design to Li-Fi Technology //PHOTOPTICS. - 2019. - С. 248-254.

75. Kirrbach R., Faulwaßer M., Jakob B. Non-rotationally Symmetric Freeform Fresnel-Lenses for Arbitrary Shaped Li-Fi Communication Channels //2019 Global LIFI Congress (GLC). - IEEE, 2019. - С. 1-6.

76. Wang K. et al. Freeform LED lens for rectangularly prescribed illumination //Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. - 2009. - Т. 11. - №. 10. - С. 105501.

77. Ma D., Feng Z., Liang R. Freeform illumination lens design using composite ray mapping //Applied Optics. - 2015. - Т. 54. - №. 3. - С. 498-503.

78. Kirrbach R. et al. Monolitic Hybrid Transmitter-Receiver Lens for Rotary On-Axis Communications //Applied Sciences. - 2020. - Т. 10. - №. 4. - С. 1540.

79. Tellis L. et al. Vehicle-to-infrastructure communication : заяв. пат. 14048003 США. - 2015.

80. Dey K. C. et al. Vehicle-to-vehicle (V2V) and vehicle-to-infrastructure (V2I) communication in a heterogeneous wireless network-Performance evaluation //Transportation Research Part C: Emerging Technologies. - 2016. - Т. 68. - С. 168184.

81. Бугров В. Е. и др. Разработка комплекса беспроводной системы передачи данных по технологии Li-Fi для интернета вещей и интеллектуальной световой среды в городском пространстве. Грант 2017-2020. http://fcpir.ru/participation in program/contracts/14.581.21.0029/

82. Sarkar A., Agarwal S., Nath A. Li-Fi technology: data transmission through visible light //International Journal of Advance Research in Computer Science and Management Studies. - 2015. - Т. 3. - №. 6.

83. Subha T. D. et al. Li-Fi: A Revolution in Wireless Networking //Materials Today: Proceedings. - 2020. - Т. 24. - С. 2403-2413.

84. Georlette V. et al. Outdoor Optical Wireless Communication: potentials, standardization and challenges for Smart Cities //2020 29th Wireless and Optical Communications Conference (WOCC). - IEEE, 2020. - С. 1-6.

85. Qiao X., Romanova G. Review and analysis of optics for road lighting //Digital Optical Technologies 2019. - International Society for Optics and Photonics, 2019. - Т. 11062. - С. 110621U.

86. Voznesenskaya A., Romanova G., Qiao X. Modeling of LED scheme for street lighting on the basis of chip-on-board scheme //Illumination Optics V. -International Society for Optics and Photonics, 2018. - Т. 10693. - С. 106930X.

87. Lee J. et al. Low-Glare Freeform-Surfaced Street Light Luminaire Optimization to Meet Enhanced Road Lighting Standards //International Journal of Optics. - 2020. - Т. 2020.

88. Lai M. F. et al. Design of asymmetric freeform lens for low glared LED street light with total internal reflection //Optics express. - 2016. - Т. 24. - №. 2. - С. 1409-1415.

89. Yang J. S. et al. Design method for a total internal reflection LED lens with double freeform surfaces for narrow and uniform illumination //Journal of the Optical Society of Korea. - 2016. - Т. 20. - №. 5. - С. 614-622.

90. Xu C., Cheng H., Feng Y. Optical design of rectangular illumination with freeform lenses for the application of LED road lighting //Frontiers of Optoelectronics. - 2017. - Т. 10. - №. 4. - С. 353-362.

91. СП 52.13330.2016 «Естественное и искусственное освещение»

92. EN 12464-1 Light and lighting - Lighting of work places-Part 1: Indoor work places

93. EN 12464-2-2014 Light and lighting - Lighting of work places - Part 2: Outdoor work places

94. ГОСТ Р 55710-2013 «Освещение рабочих мест внутри зданий. Нормы и методы измерений»

95. ГОСТ Р 54944-2012 «Здания и сооружения. Методы измерения освещенности»

96. ГОСТ Р 55706-2013 «Освещение наружное утилитарное. Классификация и нормы»

97. ГОСТ Р 55707-2013 «Освещение наружное утилитарное. Методы измерений нормируемых параметров»

98. ГОСТ Р 55844-2013 «Освещение наружное утилитарное дорог и пешеходных зон. Нормы»

99. Чембаев В. и др. Математическое моделирование осветительных установок и качественные характеристики освещения //26-я Международная конференция GraphiCon. - 2016. - №. 2016. - С. 50.

100. БЬЮККИНАЧИ Б. и др. Сравнение результатов расчётов дорожного освещения с результатами измерений с использованием традиционных яркомеров и фотояркомеров //Светотехника. - 2017. - №. 2. - С. 38-43.

101. ИКСТАЙНА П., БАННЕРТ Б. Влияние освещения светодиодами на яркость дороги //Светотехника. - 2017. - №. 6. - С. 62-68.

102. СЛОМИНЬСКИЙ С., Розовский Е. И. Некоторые аспекты современных методов измерения яркости светильников с большим количеством светодиодов //Светотехника. - 2016. - №. 1. - С. 21-24.

103. Боос Г. В., Григорьев А. А. Новый подход к определению качественных характеристик установок наружного освещения //Светотехника. -2015. - №. 6. - С. 21-26.

104. Колгушкина С. В. Оптико-электронные методы и средства комплексной оценки распределения яркости в условиях городской среды : дис. -2019.

105. Будак В. П. и др. Оценка качества освещения по яркостной фотографии и синтезированному изображению трехмерной сцены // Графикон. -2019.

106. Будак В. П. и др. Экспериментальное исследование нового критерия качества освещения на основе анализа распределения яркости на станциях Московского метрополитена //Светотехника. - 2020. - №. 2. - С. 20-26.

107. DIALux software // DIAL GmbH. URL: https://www.dial.de (дата обращения 1.06.2020)

108. Relux // Relux Informatik AG. URL: http://www.relux.biz (дата обращения 1.06.2020)

109. Kajiya J. T. The rendering equation // Computer Graphics (Proc. SIGGRAPH'86), 1986. V.20, N4. - P.143-150.

110. Hachisuka T., Ogaki S., Jensen H. W. Progressive photon mapping //ACM SIGGRAPH Asia 2008 papers. - 2008. - С. 1-8.

111. Будак В. П. Визуализация распределения яркости в трехмерных сценах наблюдения. - М. : Изд-во МЭИ, 2000.

112. Будак В. П., Желтов В. С., Калакуцкий Т. К. Локальные оценки метода Монте-Карло в решении уравнения глобального освещения с учетом спектрального представления объектов //Компьютерные исследования и моделирование. - 2012. - Т. 4. - №. 1. - С. 75-84.

113. Будак В. П. и др. Оценка качества освещения на основе пространственно-углового распределения яркости //Светотехника. - 2017. - №. 3. - С. 17-22.

114. Meister G. et al. BRDF effects in remotely sensed high resolution images of urban areas //Proceedings of Joint Workshop of ISPRS WG I/1, I/3 and IV/4, Sensors and Mapping from Space. - 1997. - Т. 17. - С. 213-221.

115. Puttonen E. et al. Measurement of reflectance properties of asphalt surfaces and their usability as reference targets for aerial photos //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. - 2009. - Т. 47. - №. 7. - С. 2330-2339.

116. Ghosh A. et al. A basis illumination approach to BRDF measurement //International journal of computer vision. - 2010. - Т. 90. - №. 2. - С. 183-197.

117. Sokolov V. G. et al. Reconstruction of BSDF based on optimization of microrelief normal distribution //GraphiCon 2017. - 2017. - С. 37-41.

118. Zhdanov D. D. et al. Simulation of the BSDF measurement capabilities for various materials with GCMS-4 gonio-spectrophotometer //Optical Design and Testing VII. - International Society for Optics and Photonics, 2016. - Т. 10021. - С. 1002116.

119. Seylan N., Ergun S., Ozturk A. BRDF reconstruction using compressive sensing. - 2013.

120. Мюзе В., Абдо Ж. Измерение на месте фотометрических характеристик бетонного дорожного покрытия прибором coluroute //Светотехника. - 2018. - №. 2. - С. 46-51.

121. Авиационные правила Ч.170. Т.П. Сертификация оборудования аэродромов и воздушных трасс, 2015. C. 111-112.

122. Размеры инфо - справочник размеров [Электронный ресурс]: https://razmery.info/tehnika/auto/razmery-auto.html, 24.07.2020.

123. Коноплянко В. И. Основы безопасности дорожного движения //М.: ДОСААФ. - 1978.

124. Правила дорожного движения Российской Федерации (п.9.10) [Электронный ресурс]: http://www.consultant.ru/cons/cgi/online.cgi?req=doc&base=LAW&n=349012&fld=13 4&dst=100014,0&rnd=0.46975859142669485#023466116738335852, 24.07.2020.

125. Osram Opto Semiconductors [Электронный ресурс]: https://www.osram.com/ecat/OSLON®%20Piccolo%20SFH%204170S%20A01/com/e n/class_pim_web_catalog_103489/global/prd_pim_device_12764899/

126. Hamamatsu [Электронный ресурс]: https://www.hamamatsu.com/eu/en/product/type/S10784/index.html

127. Hybrid Light Simulation Software Lumicept [Электронный ресурс]: https://integra.jp/en/products/lumicept, 24.07.2020.

128. Русинов М. М. Техническая оптика. 2-е. изд //СПб.: Книжный дом «Либриком. - 2011.

129. Sokolov V.G., Zhdanov D.D., Potemin I.S., Bogdanov N.N., Zhdanov A.D., Denisov E. Reconstruction of BSDF based on optimization of microrelief normal distribution // GraphiCon 2017: труды 27-й Международной конференции по компьютерной графике и машинному зрению [GraphiCon 2017 - 27th International Conference on Computer Graphics and Vision] - 2017, pp. 37-41

130. Sokolov V. G., Bogdanov N.N. et al. Optimization based on reconstruction of volume scattering medium parameters //Illumination Optics V. - International Society for Optics and Photonics, 2018. - Т. 10693. - С. 1069312.

131. Zhdanov D.D., Ershov S.V., Potemin I.S., Galaktionov V.A., Bogdanov N.N. Efficient methods of BSDF reconstruction from the micro-relief dataset for the lighting simulation tasks // Proceedings of SPIE - 2018, Vol. 10693, pp. 1069310

132. Bogdanov N.N., Zhdanov A.D., Zhdanov D.D., Potyomin I.S. Analysis of errors in the relief of scattering microstructures in light-conducting systems modelling // Light & Engineering - 2018, Vol. 26, No. 3, pp. 22-28

133. Bogdanov N., Zhdanov A.D., Zhdanov D.D., Potyomin I.S., Sokolov V.G., Denisov E.Y. A bidirectional scattering function reconstruction method based on optimization of the distribution of microrelief normals // Light & Engineering - 2019, Vol. 27, No. 1, pp. 25-32

Приложение 1. Тексты публикаций

ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

УДК 628.946.22 DOI: 10.17586/0021-3454-2020-63-7-157-166

МЕТОД РАСЧЕТА ОПТИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ ЗАГРАДИТЕЛЬНОГО ОГНЯ МАЛОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ

Н. Н. Богданов, Д. Д. Жданов, И. С. Потемин

Университет ИТМО, 197101, Санкт-Петербург, Россия E-mail: [e-mail]

Рассматривается проблема проектирования оптической системы с элементами свободной формы. Предложена модификация метода соответствия лучеой для задачи проектирования оптического элемента для заградительного огня малой интенсивности. Описан алгоритм расчета оптических элементов для такого рода устройств. Представлены результаты расчета и виртуального прототипиро-вания устройства, рассчитанного по предложенной методике.

Ключевые слова: неизображающая оптика, поверхности свободной формы, заградительные огни, светотехника, оптическое моделирование

Введение. В темное время суток для обозначения гражданских и промышленных зданий и других высотных конструкций в зонах полета воздушного транспорта применяются специальные светильники — заградительные огни. Существуют заградительные огни нескольких видов: высокой интенсивности, средней интенсивности и малой интенсивности. Заградительные огни малой интенсивности должны быть источниками постоянного излучения красного цвета с распределением силы света, определяемым в авиационных правилах [1, ч. 170]. В настоящее время в качестве источника излучения для заградительных огней применяются светодиоды, обладающие длительным сроком эксплуатации, низким энергопотреблением и высокой светоотдачей. Диаграмма углового распределения силы света обычного светодиода является ламбертовской, что не всегда подходит для формирования заданных условий освещения. В частности, при проектировании заградительных огней малой интенсивности весьма актуальным является обеспечение заданного углового распределения светового потока излучаемого светодиодом. Данная проблема решается путем использования специально рассчитанной оптики.

Проектирование оптических элементов для светодиодных источников света — одно из важнейших направлений светотехники. Для формирования требуемого углового распределения светового излучения в пространстве используются оптические поверхности свободной формы [2]. Общие вопросы проектирования вторичной оптики, в том числе с использованием поверхностей свободной формы, рассмотрены в работах [3—8]. В последнее время рядом исследователей были предприняты попытки адаптировать эти общие методы для расчета оптических элементов светосигнальных огней. В частности, в работе [9] описывается метод проектирования вторичной оптики для аэродромного рулежного огня, с элементами поверхности свободной формы и коллимирующей линзой полного внутреннего отражения. В данном случае в системе применяется один источник света, расположенный по центру конструкции. Рас-

считанный оптический элемент является осесимметричной фигурой вращения. Авторам для построения поверхности свободной формы удалось избежать решения сложных дифференциальных уравнений за счет применения простого геометрического анализа и метода конечных разностей. Расчеты выполнялись для точечного источника, но моделирование проводилось для конкретного светодиода с заданными габаритными размерами. К недостаткам можно отнести то, что конструкция оптического элемента является составной и технологически сложной для изготовления, а световой поток от одного светодиода не может обеспечить фотометрические характеристики заградительного огня, поэтому данный метод неприменим для расчета оптического элемента для заградительного огня. В работе [10] описывается метод проектирования оптической системы центрального посадочного огня для взлетно-посадочной полосы. Система, состоящая из линзы с полным внутренним отражением и призмы, разработана на основе геометрического анализа хода лучей. Линза необходима для создания узкого пучка света, а призма отклоняет его на необходимый угол относительно горизонта. Рассчитанная линза является осесимметричной фигурой вращения, и полученное распределение также является осесимметричным. Расчеты выполнялись для идеального точечного источника, а моделирование проводилось для протяженного источника. Однако данная конструкция не предполагает кругового излучения, оптический элемент рассчитывается для одного светодиода. Несмотря на возможность применения нескольких светодиодов с такими линзами, размещенными по кругу, в областях между ними возможен провал в распределении силы света.

Одним из самых простых в реализации методов проектирования оптических поверхностей свободной формы является метод соответствия входных и выходных лучей [11]. Этот метод используется для решения задачи проектирования вторичной оптики для равномерного освещения, где целевой функцией проектирования является либо равномерная освещенность поверхности заданной формы, либо кривая силы света (КСС) [12—14]. Метод соответствия лучей эффективен при работе как с точечными источниками света, так и с протяженными. В основу метода положен принцип сегментации фотометрического тела источника света и требуемого фотометрического тела на равное количество телесных углов с равными потоками. Для каждого сегмента определяется направление луча и проверяется соответствие между входными и выходными лучами, т. е. определяется, как входной луч должен изменить направление.

Цель настоящей статьи — модификация метода лучевого соответствия лучей для проектирования оптических элементов светосигнального оборудования на примере заградительных огней малой интенсивности. Модификация заключается в приведении диаграммы распределения силы света источника излучения и выходной диаграммы распределения силы света устройства в целом к единой сферической системе координат.

Требования к распределению выходного излучения устройства заградительного огня. Конструкция устройства заградительного огня должна обеспечивать круговое распределение излучения. Согласно [1 ч. 170, п. 6.1.9] сила света огней в пределах углов возвышения от 6 до 10° должна составлять не менее 10 кд для огней типа А и не менее 32 кд для огней типа В. Также следует предусматривать силу света огней не менее 4 кд в пределах углов от -6 до +50° в вертикальной плоскости.

Сферическая система координат, в которой согласно авиационным правилам задается угловое распределение силы света, представлена на рис. 1. В такой системе координат плоскость ХОУ параллельна горизонтальной плоскости, а перпендикулярная ей полярная ось 02 направлена в зенит. Угол возвышения 0 измеряется в вертикальной плоскости от горизонта к вертикали. Полярный угол а — в вертикальной плоскости от вертикали к плоскости горизонта. Азимутальный угол ф — в плоскости горизонта от направления нулевого азимута (ф=0) до ф = 2л.

г

Рис. 1

На рис. 2 представлен график заданного распределения силы света (I) в вертикальной плоскости, удовлетворяющего авиационным правилам.

I, КД

50 40 30 20 10 0

г -> -1 ре Ь буб СС( ;ма я

/

\

1 ч \

/ ! ч \

-10

0

10

20 30 40 50 9, Рис. 2

Исходная схема оптического элемента. Предполагаемая схема проектируемого оптического элемента включает две рабочие поверхности: первая — коническая, вторая — поверхность свободной формы, которая будет рассчитана (рис. 3). Источники света (ИС) размещаются по окружности некоторого радиуса, повернуты на определенный угол и смещены относительно вертикальной оси. Разработчик самостоятельно определяет количество источников света, от 6 до 12, радиус окружности, высоту расположения источников света, а также расположение первой поверхности, включая ее наклон. Данные параметры определяются исходя из технологических возможностей и фотометрических характеристик источников света, направления максимальной интенсивности излучения, а также требований к габаритным размерам источникам.

Вторая , поверхность

Первая поверхность

Рис. 3

Модифицированный метод лучевого соответствия. Светодиоды представляют собой ламбертовские излучатели. Сила света таких источников пропорциональна косинусу угла

У

между нормалью к излучающей поверхности и направлением излучения. Световой поток в диапазоне углов ф1 — фг, а1 — а2, излучаемый таким источником, вычисляется по формуле [15]

Ф2 «2

Ф = | ё ф| I (а)в1па- ё а,. (1)

Ф1 «1

где 1(а) = 10соб а — сила света, 10 — сила света в направлении (а = 0), перпендикулярном к излучающей поверхности светодиода; азимутальный угол ф в случае полного светового потока изменятся диапазоне [0, 2л], полярный угол а — диапазоне [0, л/2].

Система координат, используемая в выражении (1), представлена на рис. 4, когда излучающая поверхность источника параллельна горизонтальной плоскости, а полярная ось направлена в зенит. При таком расположении максимальное значение силы света 10 будет соответствовать вертикальному направлению.

Ф

10

I =I0cosa Л\\\\\

90° \ /

180° Рис. 4

Однако, согласно требованиям к распределению выходного излучения устройства заградительного огня, максимальная сила света должна соответствовать направлениям, лежащим в непосредственной близости к плоскости горизонта. Для обеспечения этих требований наиболее подходящее расположение источников света — вертикальной ориентации, как показано на рис. 3 (стрелки указывает направление, соответствующее максимальной силе света 10). Но при такой ориентации ось вращения КСС по углу ф источника света перпендикулярна оси вращения КСС по углу ф' устройства заградительного огня в целом, как показано на рис. 5.

Ф'

Рис. 5.

Для упрощения вычислений и исключения ошибок, связанных с преобразованием систем координат, необходимо изменить ориентацию оси вращения КСС источника света таким образом, чтобы ее направление совпадало с осью вращения КСС выходного излучения, а углы 0 отсчитывать от плоскости горизонта, при этом направление излучения в плоскости го-

ризонта будет соответствовать углу 0 = 0°, в направлении зенита — 0 = +90°, в надире — 0 = -90° (рис. 6).

Ф'

Ф

:+90°

:+90°

i

У/

i-90°

. -90°

Рис. 6

В результате модификации системы координат источника формула (1) для вычисления светового потока в заданном диапазоне углов примет следующий вид:

Ф2 62

ф = j соБф- d ф JI (6)cos6- d 9,

(2)

Ф1

где /(0) = /особ0 — сила света; азимутальный угол ф в случае полного светового потока изменяется в диапазоне [-л/2, +л/2], угол возвышения 0 — в диапазоне [-л/2, +л/2].

Очевидно, что один источник света при таком расположении в пространстве не излучает свет на 360°, поэтому требуется несколько источников. В данной работе ограничимся осе-симметричной формой профиля линзы относительно вертикальной оси как более технологичной.

Сегментация фотометрического тела источника света и требуемого фотометрического тела. Далее необходимо выполнить сегментацию фотометрических тел источника света и устройства в целом. Равные световые потоки Фг- источника света определяются в соответствии со следующими выражениями, из которых затем определяются телесные углы:

^ ф

Ф = — •

N'

6г +1

фг- = 2 J I (9)cos9- d0,

(3)

(4)

где N — количество элементарных световых потоков; 0j и 0j+1 — плоские углы, развернутые на полуокружность, что определяет телесный угол.

Задача по определению телесных углов не решается аналитически, только численно. Алгоритм сводится к тому, что весь диапазон углов 0 разделяется на N частей и определяется d0. При i=0 принимается граничное значение 0, шаг за шагом вычисляется dФ, значение которого постепенно увеличивается и сравнивается со значением Фj, если значение dФ близко к искомому, в пределах заданной погрешности, значение угла 0 записывается, и цикл продолжается до тех пор, пока не будут определены значения углов для всех N частей от суммарного потока ф.

Световой поток для требуемого фотометрического тела определяется как

Ф2 02

ф' = j d ф| i (e)cose- de, (5)

ф!

е;

где /(0) — сила света при определенном угле; угол ф изменяется в диапазоне [0, 2л], угол 0 — в диапазоне [-л/2, +л/2].

0

Вследствие того, что источник света излучает в диапазоне ф е[-л/2, +л/2], диапазон ф для требуемой КСС необходимо изменить в зависимости от общего количества источников и их пространственного расположения. Например, если в устройстве будет применяться 6 источников света, повернутых друг относительно друга на угол л/3, то диапазон для ф будет составлять [-л/3, +л/3].

Следующий шаг аналогичен алгоритму сегментации фотометрического тела источника света. Определяются углы, в которых излучаются равные потоки Ф) устройства при этом количество потоков N такое же, как и в первом случае; Ф) определяется следующим образом:

Ф2

Ф'

ф; =—,

; N

е;

(6)

г+1

ф; = jdф | i (e)cose- de . (7)

Ф; е;

Численно решая выражение (7), находим совокупность углов для N частей от суммарного потока Ф;.

В результате формируются два массива лучей, входных и выходных, равных по количеству. Каждый входной луч соответствует углу 0;, а выходной — углу в';.

Задача следующего этапа — построение поверхности свободной формы, обеспечивающей заданное распределение входных и выходных лучей.

Построение поверхности свободной формы. Оптический путь через две преломляющие поверхности представлен на рисунке 7.

Y

O

Вторая поверхность

Первая поверхность

Касательная плоскость

Рис. 7

Свет, излучаемый источником, преломляется дважды. Первая поверхность преломляет падающий луч ОА (с углом падения 0) в луч АВ. Вторая поверхность преломляет луч АВ в луч ВС (0'). В соответствии с законом преломления лучи ОА, АВ, ВС должны удовлетворять уравнениям:

n

OA N _ AB

1 TOA'Nl = n2 Ш

■ N1;

AB

n2^Z¡ • N 2 = n3

lABl

^ • n |bc| n2,

(8) (9)

где N1, N2 — векторы нормали к первой и второй поверхностям; п1, п3 = 1 — показатель

преломления воздуха; п2 — показатель преломления линзы.

Первым решается уравнение (8) и определяется направление луча АВ, а затем решается уравнение (9), из которого определяется нормаль N2 к поверхности.

Схема вычисления координат точек профиля второй поверхности представлена на рис. 8. Предварительно назначается координата источника света О, определяется точка на кони-

ческой поверхности для граничного луча и назначается начальная точка В0 для поверхности свободной формы. В точках А0 и В0 нормали известны, они перпендикулярны поверхности конуса. Координаты следующей точки В1 вычисляются путем нахождения пересечения луча А\В\ и касательной к0—к0 в предыдущей точке Во. Вектор нормали в точке В1 вычисляется из уравнения (9). Третья точка В2 находится путем пересечения луча А2В2 и касательной к1—к1 в точке В1. Повторяя процесс, можно вычислить координаты остальных точек, пока 9г- не достигнет граничного значения. Таким образом определяются все точки профиля поверхности свободной формы.

Г

O

Aj t • Bj

^5 I B5

А4 \ X 1 • B4

N,3 «2 X. IT--- b3

N,

Bo

B2 j/k, k, N ■■*■ N20

N.

2i

Ao Рис. 8

Реализация метода 1. В соответствии с разработанным методом была реализована программа на языке программирования Python, с помощью которой был рассчитан оптический элемент. В расчете использовался точечный источник света. Диапазон углов 0 е[-я/2, л/2] разделен на N = 200 частей, соответствующих равным световым потокам. На рис. 9 представлены габаритные размеры сечения линзы, расположение источников света, вид сверху и трехмерный вид.

Вертикальное сечение

Вид сверху

Трехмерная модель

69 мм

0 95 мм

Рис. 9

Угол конуса входной поверхности рассчитываемого оптического элемента задается исходя из требуемого направления максимальной силы света устройства.

Рассчитанный профиль каждой поверхности представляет собой таблицу с координатами точек. Геометрия поверхностей линзы строится с использованием комплекса программ оптического моделирования Ьишюер1 [16] с помощью алгоритма, который формирует полигональную сетку поверхности путем вращения точек профиля по кругу. В модели использовалось 6 точечных источников света с ламбертовской диаграммой распределения силы света. Диаграммы ориентированы таким образом, что угол между направлениями с максимальной силой света соседних источников составлял 60°. Световой поток каждого источника равен 30 лм.

Результаты моделирования распределения силы света устройством заградительного огня с рассчитанным оптическим элементом и требуемого распределения силы света в вертикальном сечении представлены на рис. 10.

8_

I, КД 50

40

30

20

10

0 -10 0 10 20 30 40 50 9, Рис. 10

Пример 2. В данном примере точечные источники света были заменены на источники конечного размера, а именно круги диаметром 3,2 мм, что соответствует светодиодам Samsung LH351B[17]. В этом примере используется та же линза, которая была рассчитана в примере с точечным источником света.

I, КД

50 40 30 20 10

0 -10 0 10 20 30 40 50 9, Рис. 11

Как видно из рис. 11, КСС рассчитанной линзы близка по форме и абсолютным значениям к требуемой КСС, и в то же время полностью соответствует авиационным правилам. Поэтому данный результат можно считать удовлетворительным для случая протяженного источника света без последующей оптимизации.

Графики распределения силы света в горизонтальных сечениях (0 = 5°) показаны на рис. 12. Не смотря на полученную неравномерность силы света, требуемый уровень обеспечен как согласно авиационным правилам (32 кд), так и согласно требуемой КСС (45 кд).

Точечный источник Протяженный источник

Рис.12

----Требуемая КСС Полученная

1 КСС, ф=180° . «Полученная

I 1 1 1 1 I кии, ф- 50"

t ' \

1 1 (/ ! "С 1-ч

! V 1

Заключение. В работе предложено решение, позволяющее модифицировать метод соответствия входных и выходных лучей для расчета оптического элемента для заградительного огня малой интенсивности путем приведения КСС источника света и конструкции в целом к единой сферической системе координат. Оптический элемент представляет собой осе-симметричную фигуру с внутренней конической поверхностью и внешней поверхностью свободной формы. Результаты виртуального прототипирования рассчитанного оптического элемента с источниками света конечных размеров, соответствующих реальному светодиоду, полностью удовлетворяют авиационным правилам.

список литературы

1. Авиационные правила Ч. 170. Т. II. Сертификация оборудования аэродромов и воздушных трасс. М., 2015. C. 111—112.

2. Thompson K. P., Benitez P., Rolland J. P. Freeform optical surfaces: Report from OSA's first incubator meeting // Optics and Photonics News. 2012. Vol. 23, N 9. P. 32—37.

3. Wang K. et al. Freeform Optics for LED Packages and Applications. John Wiley & Sons, 2017.

4. Winston R. et al. Nonimaging Optics. Elsevier, 2005.

5. Chaves J. Introduction to Nonimaging Optics. CRC press, 2017.

6. Koshel R. J. (ed.). Illumination Engineering: Design with Nonimaging Optics. John Wiley & Sons, 2012.

7. Gimenez-Benitez P. et al. Simultaneous multiple surface optical design method in three dimensions // Optical Engineering. 2004. Vol. 43, N 7. P. 1489—1503.

8. Dross O. et al. Review of SMS design methods and real world applications // Nonimaging Optics and Efficient Illumination Systems: Proc. SPIE. 2004. Vol. 5529. P. 35—47.

9. Xu C. Y., Cheng H. B. A free-form side-emitting lens for airfield lighting // Lighting Research & Technology. 2018. Vol. 50, N 6. P. 937—951.

10. Cheng H. et al. Design of compact LED free-form optical system for aeronautical illumination // Applied optics. 2015. Vol. 54, N 25. P. 7632—7639.

11. Wang K. et al. New reversing design method for LED uniform illumination // Optics Express. 2011. Vol. 19, N 104. P. A830—A840.

12. Parkyn W. A. Segmented illumination lenses for step lighting and wall washing //Current Developments in Optical Design and Optical Engineering VIII: Proc. SPIE. 1999. Vol. 3779. P. 363—370.

13. Wang L., Qian K., Luo Y. Discontinuous free-form lens design for prescribed irradiance // Applied optics. 2007. Vol. 46, N 18. P. 3716—3723.

14. Ding Y. et al. Freeform LED lens for uniform illumination // Optics Express. 2008. Vol. 16, N 17. P. 12958—12966.

15. ЛандсбергГ. С. Оптика. M.: Наука, 1976.

16. Hybrid Light Simulation Software Lumicept [Электронный ресурс]: <https://integra.jp/en/products/lumicept>, 10.03.2020.

17. Samsung LEDs [Электронный ресурс]: <https://www.samsung.com/led/lighting/high-power-leds/3535-leds/lh351b/>, 10.03.2020.

Николай Николаевич Богданов

Дмитрий Дмитриевич Жданов Игорь Станиславович Потемин

Поступила в редакцию 13.03.2020 г.

Сведения об авторах

— Университет ИТМО, факультет программной инженерии и компьютерной техники; младший научный сотрудник;

E-mail: [e-mail]

— канд. физ.-мат. наук; Университет ИТМО, факультет программной инженерии и компьютерной техники; E-mail: [e-mail]

— канд. техн. наук; Университет ИТМО, факультет программной инженерии и компьютерной техники; E-mail: [e-mail]

Ссылка для цитирования: Богданов Н. Н., Жданов Д. Д., Потемин И. С. Метод расчета оптического элемента для заградительного огня малой интенсивности // Изв. вузов. Приборостроение. 2020. Т. 63, № 7. С. 157—166.

МЕТОД РАСЧЕТА ОПТИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ ЗАГРАДИТЕЛЬНОГО ОГНЯ МАЛОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ

H. H. Богданов, Д. Д. Жданов, И. С. Потемин

Университет ИТМО, 197101, Санкт-Петербург, Россия E-mail: [e-mail]

Рассматривается проблема проектирования оптической системы с элементами свободной формы. Предложена модификация метода соответствия лучеой для задачи проектирования оптического элемента для заградительного огня малой интенсивности. Описан алгоритм расчета оптических элементов для такого рода устройств. Представлены результаты расчета и виртуального прототипирования устройства, рассчитанного по предложенной методике.

Keywords: неизображающая оптика, поверхности свободной формы, заградительные огни, светотехника, оптическое моделирование

REFERENCES

1. Авиационные правила Ч. 170. Т. II. Сертификация оборудования аэродромов и воздушных трасс. М., 2015. C. 111—112.

2. Thompson K. P., Benitez P., Rolland J. P. Freeform optical surfaces: Report from OSA's first incubator meeting // Optics and Photonics News. 2012. Vol. 23, N 9. P. 32—37.

3. Wang K. et al. Freeform Optics for LED Packages and Applications. John Wiley & Sons, 2017.

4. Winston R. et al. Nonimaging Optics. Elsevier, 2005.

5. Chaves J. Introduction to Nonimaging Optics. CRC press, 2017.

6. Koshel R. J. (ed.). Illumination Engineering: Design with Nonimaging Optics. John Wiley & Sons, 2012.

7. Gimenez-Benitez P. et al. Simultaneous multiple surface optical design method in three dimensions // Optical Engineering. 2004. Vol. 43, N 7. P. 1489—1503.

8. Dross O. et al. Review of SMS design methods and real world applications // Nonimaging Optics and Efficient Illumination Systems: Proc. SPIE. 2004. Vol. 5529. P. 35—47.