Научные статьи \ Прикладные науки. Медицина. Технология \ Инженерное дело. Техника в целом \ Общее машиностроение. Ядерная технология. Электротехника. Технология машиностроения \ Электротехника

Оптимизационный метод расчета оптических элементов при протяженном источнике излучения

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.

Еще

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

Optimization method for designing optical elements with an extended light source

A method for designing an optical element with two free-form surfaces generating a prescribed illuminance distribution in the case of an extended light source is considered. The method is based on the representation of the optical element surfaces by bicubic splines and on the subsequent optimization of their parameters using a quasi-Newton method implemented in the Matlab software. To calculate the merit function, a version of the ray tracing method is proposed. Using the proposed method, an optical element with record characteristics was designed: the ratio of the element height to the source size is 1.6; luminous efficiency is 89.1 %; uniformity of the generated distribution (the ratio of the minimum and average illuminance) in a given square region is 0.92.

Еще

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.).
Еще
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp