Оптимизационный метод расчета оптических элементов при протяженном источнике излучения
Автор: Бызов Егор Владимирович, Кравченко Сергей Васильевич, Моисеев Михаил Александрович, Досколович Леонид Леонидович
Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics
Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии
Статья в выпуске: 5 т.44, 2020 года.
Бесплатный доступ
Рассмотрен метод расчёта оптического элемента с двумя поверхностями свободной формы, формирующего заданное распределение освещенности для протяженного источника излучения. Метод основан на представлении поверхностей оптического элемента бикубическими сплайнами и последующей оптимизации их параметров с помощью квазиньютоновского метода, реализованного в пакете Matlab. Для расчета целевой функции предложен вариант метода трассировки лучей. С использованием предложенного метода рассчитан оптический элемент, имеющий рекордные характеристики: отношение высоты элемента к размеру источника излучения - 1,6; световая эффективность - 89,1 %; равномерность формируемого распределения (отношение минимальной и средней освещенности) в заданной квадратной области - 0,92.
Поверхность свободной формы, трассировка лучей, оптимизация, оптика для светодиодов, распределение освещенности, неизображающая оптика, оптический дизайн
Короткий адрес: https://sciup.org/140250042
IDR: 140250042 | DOI: 10.18287/2412-6179-CO-762
Список литературы Оптимизационный метод расчета оптических элементов при протяженном источнике излучения
- Wu, R. Design of freeform illumination optics / R. Wu, Z. Feng, Z. Zheng, R. Liang, P. Benítez, J.C. Miñano, F. Duerr // Laser & Photonics Reviews. - 2018. - Vol. 12, Issue 7. - 1700310.
- Wu, R. Freeform illumination design: a nonlinear boundary problem for the elliptic Monge-Ampére equation / R. Wu, L. Xu, P. Liu, Y. Zhang, Z. Zheng, H. Li, X. Liu // Optics Letters. - 2013. - Vol. 38, Issue 2. - P. 229-231.
- Mao, X. Design of a smooth freeform illumination system for a point light source based on polar-type optimal transport mapping / X. Mao, S. Xu, X. Hu, Y. Xie // Applied Optics. - 2017. - Vol. 56, Issue 22. - P. 6324-6331.
- Wu, R. Formulating the design of two freeform lens surfaces for point-like light sources / R. Wu, S. Chang, Z. Zheng, L. Zhao, X. Liu // Optics Letters. - 2018. - Vol. 43, Issue 7. - P. 1619-1622.
- Brix, K. Designing illumination lenses and mirrors by the numerical solution of Monge-Ampère equations / K. Brix, Y. Hafizogullari, A. Platen // Journal of the Optical Society of America A. - 2015. - Vol. 32, Issue 11. - P. 2227-2236.
- Yadav, N.K. Computation of double freeform optical surfaces using a Monge-Ampère solver: Application to beam shaping / N.K. Yadav, J.H.M. ten Thije Boonkkamp, W.L. Ijzerman // Optics Communication. - 2019. - Vol. 439. - P. 251-259.
- Schwartzburg, Y. High-contrast computational caustic design / Y. Schwartzburg, R. Testuz, A. Tagliasacchi, M. Pauly // ACM Transactions on Graphics. - 2014. - Vol. 33, Issue 4. - 74.
- Oliker, V. Controlling light with freeform multifocal lens designed with supporting quadric method(SQM) / V. Oliker // Optics Express. - 2017. - Vol. 25, Issue 4. - P. A58-A72.
- Doskolovich, L.L. Designing double freeform surfaces for collimated beam shaping with optimal mass transportation and linear assignment problems / L.L. Doskolovich, D.A. Bykov, E.S. Andreev, E.A. Bezus, V. Oliker // Optics Express. - 2018. - Vol. 26, Issue 19. - P. 24602-24613.
- Doskolovich, L.L. Optimal mass transportation and linear assignment problems in the design of freeform refractive optical elements generating far-field irradiance distributions / L.L. Doskolovich, D.A. Bykov, A.A. Mingazov, E.A. Bezus // Optics Express. - 2019. - Vol. 27, Issue 9. - P. 13083-13097.
- Luo, Y. Design of compact and smooth free-form optical system with uniform illuminance for LED source / Y. Luo, Z. Feng, Y. Han, H. Li // Optics Express. - 2010. - Vol. 18. - P. 9055-9063.
- Li, Z. Energy feedback freeform lenses for uniform illumination of extended light source LEDs / Z. Li, S. Yu, L. Lin, Y. Tang, X. Ding, W. Yuan, B. Yu // Applied Optics. - 2016. - Vol. 55. - P. 10375-10381.
- Liu, Z. Parametric optimization method for the design of high-efficiency free-form illumination system with a LED source / Z. Liu, P. Liu, and F. Yu, // Chinese Optics Letters. - 2012. - Vol. 10. - P. 112201-112201.
- Fournier, F. Optimization of freeform lightpipes for light-emitting-diode projectors / F. Fournier, J. Rolland // Applied Optics. - 2008. - Vol. 47. - P. 957-966.
- Zhao, S. Integral freeform illumination lens design of LED based pico-projector / S. Zhao, K. Wang, F. Chen, Z. Qin, S. Liu // Applied Optics. - 2013. - Vol. 52. - P. 2985-2993.
- Moiseev, M.A. Design of refractive spline surface for generating required irradiance distribution with large angular dimension / M.A. Moiseev, L.L. Doskolovich // Journal of Modern Optics. - 2010. - Vol. 57, Issue 7. - P. 536-544. -
- DOI: 10.1080/09500341003764069
- Ries, H. Tailored edge-ray reflectors for illumination / H. Ries, R. Winston // Journal of the Optical Society of America A. - 1994. - Vol. 11. - P. 1260-1264.
- Chaves, J. Introduction to nonimaging optics / J. Chaves. - 2nd ed. - CRC Press, 2016.
- Wu, R. Direct three-dimensional design of compact and ultra-efficient freeform lenses for extended light sources / R. Wu, C.Y. Huang, X. Zhu, H.-N. Cheng, R. Liang // Optica. - 2016. - Vol. 3. - P. 840-843.
- Wu, R. Direct design of aspherical lenses for extended non-Lambertian sources in two-dimensional geometry / R. Wu, H. Hua, P. Benítez, J.C. Miñano // Optics Letters. - 2015. - Vol. 40. - P. 3037-3040.
- Hu, S. Ultra-compact LED lens with double freeform surfaces for uniform illumination / S. Hu, K. Du, T. Mei, L. Wan, N. Zhu // Optics Express. - 2015. - Vol. 23. - P. 20350-20355.
- Li, X. Prescribed intensity in 3D rotational geometry for extended sources by using a conversion function in 2D design / X. Li, P. Ge, H. Wang // Applied Optics. - 2017. - Vol. 56. - P. 1795-1798.
- Li, X. An efficient design method for LED surface sources in three-dimensional rotational geometry using projected angle difference / X. Li, P. Ge, H. Wang // Lighting Research & Technology. - 2019. - Vol. 51, Issue 3. - P. 457-464.
- Sorgato, S. Design of illumination optics with extended sources based on wavefront tailoring / S. Sorgato, J. Chaves, H. Thienpont, F. Duerr // Optica. - 2019. - Vol. 6. - P. 966-971.
- Sorgato, S. Compact illumination optic with three freeform surfaces for improved beam control / S. Sorgato, R. Mohedano, J. Chaves, M. Hernández, J. Blen, D. Grabovičkić, P. Benítez, J. Miñano, H. Thienpont, F. Duerr // Optics Express. - 2017. - Vol. 25. - P. 29627-29641.
- Dross, O. Review of SMS design methods and real world applications / O. Dross, R. Mohedano, P. Benítez, J.C. Miñano, J. Chaves, J. Blen, M. Hernández, F. Muñoz // Proceedings of SPIE. - 2004. - Vol. 5529. - P. 35-47.
- Robert, C.P. Monte Carlo statistical methods / C.P. Robert, G. Casella. - 2nd ed. - Springer, 2004. - 978-1-4419-1939-7.
- ISBN: 9781441919397
- Bentley, J.L. Multidimensional binary search trees used for associative searching / J.L. Bentley // Communications of the ACM. - 1975. - Vol. 18, Issue 9. - P. 509-517.
- Cormen, T.H. Introduction to algorithms / T.H. Cormen, C.E. Leiserson, R.L. Rivest. - MIT Press, 1989.
- Sedgewick, R. Algorithms in C++. / R. Sedgewick. - Addison-Wesley, 1992.
- Шикин, Е.В. Кривые и поверхности на экране компьютера. Руководство по сплайнам для пользователей / Е.В. Шикин, Л.И. Плис. - М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1996.
- Бикубическая интерполяция [Электронный ресурс]. - URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Bicubic_interpolation (дата обращения 23.07.2020 г.)
- Moiseev, M.A. Design of efficient LED optics with two free-form surfaces / M.A. Moiseev, S.V. Kravchenko, L.L. Doskolovich // Optics Express. - 2014. - Vol. 22. - P. A1926-A1935. -
- DOI: 10.1364/OE.22.0A1926
- Kravchenko, S.V. Design of axisymmetric double-surface refractive optical elements generating required illuminance distributions / S.V. Kravchenko, M.A. Moiseev, E.V. Byzov, L.L. Doskolovich // Optics Communications. - 2020. - Vol. 459. - 124976. -
- DOI: 10.1016/j.optcom.2019.124976
- TracePro - программное обеспечение для дизайна и моделирования оптических систем. - URL: https://www.lambdares.com/tracepro/ (дата обращения 23.07.2020 г.).
Статья научная
