Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 основные понятия, методы и инструментальные средства неизображающих оптических систем 10
1.1 Структурные элементы оптической схемы: приемники, источники 10
1.2 Понятие неизображающей оптической системы 13
1.3 Понятие метода, модели и инструментального средства 18
1.4. Инструментальные средства проектирования неизображающих оптических систем 24
1.4 Основные методы проектирования неизображающих ос 28
1.5. Определение и понятие “freeform” 32
Выводы по главе 43
Глава 2 Методика проектирования неизображающих оптических систем с применением “freeform”поверхностей 44
2.1 Структурный синтез неизображающих оптических систем 44
2.2 Ранжирование осветительных систем по техническим характеристикам 50
2.3 Функциональное элементы, формирующие систему 55
2.3 Параметрический синтез неизображающих оптических систем 58
2.4 Оптимизация 63
2.5 Инструментарий проектирования неизображающих оптических систем с применением “freeform” поверхностей 65
Выводы по главе 69
Глава 3 Применение методики для проектирования неизображающей осветительной системы для операционной комнаты 70
3.1 Анализ технического задания на неизображающую осветительную систему для операционной комнаты 72
3.2 Формализация и ранжирование технических характеристик. Структурный синтез 77
3.3 Параметрический синтез неизображающей оптической системы для операционной Комнаты 85
3.5 Результат прохождения лучей через модуль iled3 и iled5. 86
Выводы по главе 93
Заключение 94
Список литературы 96
- Понятие метода, модели и инструментального средства
- Основные методы проектирования неизображающих ос
- Функциональное элементы, формирующие систему
- Параметрический синтез неизображающей оптической системы для операционной Комнаты
Понятие метода, модели и инструментального средства
Важнейшими понятиями в неизображающей оптике являются понятия источника и приемника. Источником светового излучения является излучатель электромагнитной энергии в видимой (или оптической, т. е. не только видимой, но и ультрафиолетовой и инфракрасной) области спектра. Естественными источниками света являются Солнце, Луна, звёзды, атмосферные электрические разряды и др., искусственными - устройства, превращающие энергию любого вида в энергию видимых (или оптических) излучений.
Источником света служит солнечное излучение, применительно для солнечных концентраторов; в осветительных системах возможно применение различных источников по своей форме и свойству. Рассмотрим основные источники излучения в неизображающей осветительной оптике:
Точечный источник не имеет физической протяженности. Свет излучается из одной точки и не имеет пространственного инварианта интенсивности.
Поверхностный источник имеет трехмерную форму цилиндра, сферы или куба, излучает энергию только со своей поверхности.
Объектный источник является разновидностью поверхностного источника, который может быть создан из любых геометрических объектов. Таким источником может выступать светодиод с первичной оптической системой (рисунок 1.1.1) Рисунок 1.1.1. Светодиод Seoul Semiconductor с первичной оптикой [7] Еще одним важным понятием в неизображающей оптике является приемник Приёмники света, устройства, изменение состояния которых под действием потока оптического излучения служит для обнаружения этого излучения, его измерения, а также для фиксации и анализа оптических изображений излучающих объектов [7] Рассмотрим основные виды приемников светового излучения: Поверхностный приемник может являться любой поверхностью в пространстве
Приемник дальнопольный -это сферический приемник, охватывающий все части модели. Применение данного приемника подразумевает использование точечного источника и приемник получает информацию только об угловом распределение света. Существует конечный и бесконечный приемник. Конечный приемник является сферой с конечным радиусом, бесконечный приемник имеет бесконечный радиус. На рисунке 1.1.4 представлен конечный приемник дальней области. 1.2 . Понятие неизображающей оптической системы
Неизображающая оптическая система вместо объекта имеет источник света, а вместо изображения – приемник. Вместо изображения источника света оптика воспроизводит освещенность на приемнике. Первое применение неизображающей оптики было проектирование концентратора, который может воспроизвести максимум теоретической мощности. Первым спроектированным прибором считается составной параболический концентратор (CPC). Концентратор был спроектирован двумерным методом и положил начало развитию неизображающей оптики как отдельной науки [11].
Основной задачей неизображающей оптики при проектировании солнечных концентраторов является создание максимально возможных по ширине углов приемника света для дальнейшей его концентрации в солнечных батареях. Примерами устройств неизображающей оптики для освещения являются оптические световоды, отражатели, freeform линзы, а также их комбинации. Применяются подобные устройства во многих областях светотехники: автомобильные фары, LCD подсветки, подсветка панели приборов, волоконно-оптических осветительные приборы, светодиодные фонари, проекционные дисплеем и светильники.
Рассмотрим математические модели неизображающих оптических систем. На рисунке 1.2.1. представлена схема изображающей оптической системы. Слева у нас находится объект EF, в центре оптика CD и справа изображение AB Рисунок 1.2.1 Cхема изображающей оптической системы[11] Световой луч, исходящий из угловой точки F, должен быть сконцентрирован в угловой точке A изображения. Аналогично, свет, исходящий из точки E должен быть сконцентрирован в точке B. Эти условия могут быть применены для любой точки P объекта. Свет, исходя из точки P, должен быть сконцентрирован в точке Q изображения. Расстояние от оптической оси d0 и di от точки объекта и изображения можно представить следующим выражением: где - коэффициент увеличения системы. Если мы хотим совместить две точки объекта в двух точках изображения AB, то одной поверхности недостаточно. Нам необходимо как минимум применить две поверхности. Теперь мы имеем два пучка угловых лучей (исходящие из точек E и F), которые должны быть сфокусированы в точках A и B. Также мы имеем две поверхности, которые должны быть описаны (Рисунок 1.2.3). Представим, что линза (рисунок 1.2.2) спроектирована таким образом, что два комплекта наклонных лучей фокусируются в нужных точках изображения. Рисунок 1.2.2 Схема хода лучей в оптической системе Однако, эта линза не может гарантировать, что свет, исходящий из точки P объекта будет сконцентрирован в нужной точке Q изображения, так как в данной системе отсутствует нужное количество степеней свободы. Соответственно необходимо добавить большее количество поверхностей.
Если мы не хотим добавлять большее количество линз, мы должны найти новые возможности увеличения степеней свободы системы, чтобы все точки объекта фокусировались на соответствующих точках изображения. Один из таких путей – создание линзы, показатель преломления которой будет меняться от точки к точке. Такое решение достаточно затратно, так как сложно создать материал с варьирующимся показателем преломления. Ввиду описанных трудностей в проектировании идеальной изображающей системы существующие приборы не воспроизводят идеальное изображение, а имеют аберрации.
Хотя линза на рисунке 1.2.3 не гарантирует формирование изображения, но она гарантирует, что излучения, исходящее из точки EF в любом случае придет в точку AB. В итоге световые лучи, исходящие из углов источника EF проходят через углы приемника AB, свет излучающийся из точки P источника достигнет точки между AB приемника. Следовательно, все излучение, исходящее из EF и проходящее CD будет сфокусировано на AB приемника. На рисунке 1.2.3 луч r1 исходящий из угловой точки F источника достигает точки A приемника, аналогично r5 исходит из точки E и проецируются в точке B приемника. Поэтому лучи r2 ,r3 и r4 проецируются в заданной точке приемника [11].
Основные методы проектирования неизображающих ос
Программа ZEMAX представляет собой программный продукт для расчета и моделирования разнообразных оптических систем[17]. ZEMAX сочетает в себе два принципиально разных подхода к расчету оптических систем - так называемые последовательный и непоследовательный режимы расчета.
Непоследовательный режим расчета является наиболее подходящим для моделирования и оптимизации светооптических схем. Этот режим расчета предусматривает использование модели источника излучения и набора приемников для анализа прохождения света через интересующую оптическую систему.
Light Tools. Данная среда моделирования используется для изготовления виртуальных прототипов оптических систем различного применения [7]. Light Tools позволяет моделировать оптические системы для осветительных приборов наиболее удобным и рентабельным способом [8] и производить оптимизацию системы используя в качестве параметров характеристики оптических элементов, их расположение и параметры светильника для достижения лучшего результата [9].
Анализ освещенности в Light Tools осуществляется посредством метода Монте-Карло трассировки лучей. Существует два подхода к этому анализу: прямая трассировка лучей, которая моделирует распространение света через модель, и обратная трассировка лучей, которая показывает источник освещенности с точки приемника [7] (в обратном ходе).
Прямая трассировка лучей является глобальным анализом, который может показать результат на нескольких приемниках одновременно, но для получения верного результата понадобится большое количество лучей для трассировки. Трассировка лучей в обратном ходе - это локальный анализ, который воспроизводит результаты в специальной точке модели и может воспроизводить правильные результаты при помощи нескольких лучей.
Прямая трассировка лучей требует большого количества лучей, исходящих из случайно выбранных точек на источнике и попадающих в случайно выбранные точки на приемнике. Выбор стартовой точки и направления лучей основаны на приблизительной функции, которая описывает эмиссионные свойства источника света. Каждый луч исходит с определенной силой, которая определяется характеристиками источника. Эта сила в дальнейшем изменяется при пересечении с различными поверхностями оптической системы. Далее эти лучи собираются на специальном приемнике для статистического анализа и графического изображения.
Трассировка лучей в обратном ходе просчитывает освещенность в определенной точке приемника с использованием метода Монте-Карло. Трассировка лучей происходит в обратном ходе от приемника к источнику модели.
ASAP основывается на алгоритме непоследовательной трассировки лучей [18]. Лучи оптической системы могут пересечься с поверхностью в любом порядке и любое количество раз. ASAP позволяет произвести быструю оптимизацию, отслеживая миллионы лучей в течение нескольких минут .
ASAP может быть использован для моделирования сложных изображающих систем, а также систем освещения. С помощью данного программного обеспечения возможно создание высокоточного источника моделей с использованием исходных изображений, точечные источники, лучевой сетки. Возможно создание моделей ламп накаливания, светодиодов, CCFLs и газоразрядных ламп , или импорт источника света из библиотека BRO. ASAP позволяет выполнить анализ оптической системы без создания экспериментальных прототипов .
Trace Pro. В данном программном обеспечении интегрирован набор оптических и оптико-механических инструментов для разработки неизображающих оптических систем. TracePro содержит надстройки, позволяющие рационализировать рабочий процесс и взаимодействовать с другими коммерчески доступными оптическими и механическими средствами разработки программного обеспечения [19]. Кроме специализированных программ расчета неизображающих оптических систем также возможно использования универсального программного обеспечения
Достаточно часто для расчета и проектирования неизображающих оптических систем используются CAD программы. Для этого они часто интегрируются с профессиональными программами для расчета неизображающих оптических систем (см. выше). 1.4 Основные методы проектирования неизображающих ОС
Несмотря на разность задач двух типов оптических систем (изображающих и неизображающих), к ним применимы одинаковые подходы в проектировании. В данной работе рассматриваются основные методы проектирования неизображающих оптических систем с “freeform” поверхностями, а также рассматривается универсальная методика создания систем данного типа.
В трехмерном пространстве оптические поверхности требуют решения частичных дифференциальных уравнений, которые послужили основой метода Монге-Ампера, и для их исполнения были использованы методы поддерживающих эллипсоидов, методы решетки и аналог эволюционного уравнения Хаккера и метод Ньютона.
Поверхность “freeform” позволяет получить для точечного источника очень сложное задание распределения освещенности, как показано на рисунке 1.4.1 Рисунок 1.4.1 Пример “freeform”
За счет применения поверхностей freeform можно получить любое распределение освещённости[20].
Наиболее распространённым в современном мире является метод SMS. Данный метод является обобщением метода картезианских овалов и вначале был выполнен для решения проблем проектирования нахождения сопряжения двух последовательных оптических поверхностей, описывающих два входящих волновых фронта с аналогичными заданными выходящими волновыми фронтами.
SMS метод может применяться как в двухмерном так и в трехмерном пространстве для изображающих и неизображающих систем. На рисунке 1.4.1 представлены основные направления оптики, проектируемый с применением SMS метода.
Процесс создания новых методов по проектированию неизображающих систем далеко не закончен, они продолжают активно развиваться о чем свидетельствует множество публикаций в ведущих оптических журналах, таких как Advanced Optical Technologies, Journal of the European Optical Society:Rapid Publications, конференция EOSAM 2014, Берлин. Также разработке новых методов проектирования неизображающих оптических систем посвящена диссертационная работа Трофимука А.А. “Применение кривых Безье для расчета неизображающих оптических систем”[34].
Функциональное элементы, формирующие систему
Следует отметить, что понятия коррекционных элементов для изображающих и неизображающих ОС различаются – так, например, для изображающих систем, очевидно, что коррекционные элементы выполняют функцию коррекции аберраций, а для неизображающих – корректируют направление потока лучей
Следует отметить, что в отличие от расположения элементов изображающей системы [1], в неизображающей системе один элемент может выполнять как функцию базового, так и функцию светосильного элемента одновременно, функцию широкоугольного и корректирующего элемента. Это достигается за счет объединения нескольких элементов в одном, что стало возможным при использовании новой формы линзы – с поверхностью свободной формы в общем случае произвольно расположенной в пространстве. Такие поверхности получили общепринятое название - (“freeform”).
Для формирования методики проектирования неизображающих оптических систем в части синтеза их параметров рассмотрим основные типы применяемых поверхностей и их классификацию. Эта классификация была предложена профессором Миньяно и профессором Бенитосом [11] и имеет тенденцию общепринятой.
Поверхности, входящие в состав неизображающей оптической системы, могут располагаться различным образом относительно апертурной диафрагмы, источника света и приемника.
Процедура структурного синтеза заканчивается составлением так называемой формулы синтеза, определяющей количество, тип и взаимное расположение элементов в оптической системе, при этом типы поверхностей, формирующих эти элементы для удобства и наглядности указываются в скобках:
B(RXI) – формула структурного синтеза базового элемента, содержащего преломляющую, отражающую поверхность и поверхность, работающую на полном внутреннем отражении. Далее, в соответствие с принятой нами концепцией выбора стартовой точки неизображающей ОС, выполняется процедура параметрического синтеза. 2.3 Параметрический синтез неизображающих оптических систем Как сказано выше, под структурным синтезом ОС понимают процедуру выбора типа, количества и взаимного расположения оптических элементов, составляющих ОС.
Под параметрическим синтезом ОС понимают процедуру определения конструктивных параметров оптических элементов, входящих в ОС (радиусов, толщин, воздушных промежутков, марок оптических сред и т.д.), в необходимой степени удовлетворяющих габаритным и аберрационным требованиям, предъявляемым к ОС на каждом конкретном этапе разработки[1]
В параметрическом синтезе неизображающей оптической системы участвуют два основных понятия:
Стартовая точка, которую мы выбираем для решения задачи, связанной с требованиями технического задания, очевидно должна обладать необходимым и достаточным количеством параметров.
В случае, если параметров недостаточно, нам не удастся удовлетворить требованиям ТЗ, приходится увеличивать число активных параметров, изменяя которые в процессе оптимизации, мы сможем получить требуемые технические характеристики.
Линза полного внутреннего отражения(ПВО) имеет следующие параметры r,n,d, , An и представлена на рисунке 2.3.3: Рисунок 2.3.2 Линза полного внутреннего отражения (ПВО) [29] Если в изображающей оптике разработано много методов расчета параметров, то в неизображающей оптике зачастую параметры определяются весьма приблизительно, а затем оптимизируются с помощью инструментальных средств, описанных в Главе 1. Поэтому оптимизация систем неизображающей оптики является очень важной и неотъемлемой частью процесса проектирования. 2.4 Оптимизация
Как и во многих других областях физики и инженерии, проблему получения требуемых характеристик устройств неизображающей оптики можно решить, используя общие многопараметрические методы оптимизации. Они основаны на определении оценочной функции и ее дальнейшей минимизации, т.е. минимальное ее значение говорит о том, что система приближается к какому-то оптимальному решению – это может быть как локальный, так и глобальный минимум. Искусство проектирования оптических систем при наличии современного программного обеспечения сводится к выбору ее стартовой точки и построению оценочной функции для ее оптимизации.
Оценочная функции устанавливает связь между техническими характеристиками системы и ее параметрами, она зависит от этих параметров и оптимизация состоит в решении математической задачи нахождения минимума оценочной функции в многомерном пространстве параметров. В сравнении с другими проблемами оптимизации, решение этой задачи обычно довольно трудоемко, т.е. совершенно обычным является число от 50 до 100 параметров.
Рисунок 2.4.1. Расположение локальных и глобального минимума в простанстве Существуют различные алгоритмы для поиска минимума оценочной функции. Наиболее часто используемые из них являются, например, метод наименьших квадратов, при котором возможно решение со множеством локальных минимумов (см. рис. 12). Глобальная оптимизация алгоритмов (как мульти-старт", метод " имитации отжига " или " генетический") гораздо медленнее, но могли бы помочь найти глобальный минимум оценочной функции. Подобнее с методами оптимизации можно ознакомиться в работах ….
Параметрический синтез неизображающей оптической системы для операционной Комнаты
Важным и творческим моментом при анализе технического задания является выбор возможных решений оптической задачи. Данный этап является трудоемким, так как для его реализации необходима работа с методической литературой и патентными источниками, а также применение знаний оптиков-экспертов в этой области.
Важным вопросом в проектировании данной системы является выбор источника освещения – светодиода.
Существует два возможных решения задачи проектирования неизображающей оптической системы для достижения заданных значений цветовой температуры и индекса цветопередачи ( 4900 K и 95%):
1. Выбор светодиода, который способен произвести необходимую цветовую температуру и индекс цветопередачи.
2. Выбор нескольких светодиодов. Смешение цветов этих светодиодов позволит достичь требуемой цветовой температуры и индекса цветопередачи.
Оба решения задачи реализуются посредством одних и тех же оптических элементов системы. На основе анализа современного рынка СИД, было выявлено, что не существует светодиода, способного производить цветовую температуру 4900К одновременно с индексом цветопередачи равным 95 (согласно техническому заданию).
Светодиод, наиболее подходящий по характеристикам к требованиям технического задания - Nichia NVSL219A-H1. Данный светодиод имеет цветовую температуру равную 4500К, индекс цветопередачи - 92. Светодиод имеет конформное фосфорное покрытие, которое обеспечивает равномерную передачу цвета. Светодиод обладает следующими показателями эффективности: 1000 ЛМ, 350 мА. 3В. Размер 3,5x3,5, размер чипа 1x1.
Решение 2. Так как не существует светодиодных чипов, способных реализовать заданную эффективность, вторым решение является смешение цветов нескольких светодиодов. Для достижения заданных показателей осветительной системы для хирургической комнаты были выбраны следующие светодиоды:
Так как чип и “упаковка” одинаковы для всех светодиодов, и белый светодиод имеет конформное фосфорное покрытие, все три светодиода могут входить в состав одной и той же модели с одинаковыми оптическими элементами.
С целью соблюдения требований технического задания: обеспечения требуемой цветовой температуры и индекса освещенности, расчет неизображающей энергосберегающей системы для хирургической комнаты был произведен в соответствие с «решением 2».
В расчетах были использованы несколько светодиодов, а также вторичная оптика, что позволило построить модель оптической системы с изменяемой цветовой температурой за счет изменения входящего тока трех видов светодиодов.
На рисунке 3.1.1. изображён первый итоговый спектр осветителя, когда светодиоды смешаны в соотношении: 25 LM, 220 LM, 150 LM (bg: cw: ww). Цветовая температура - 4950К, индекс цветопередачи - 95.
На рисунке 3.1.2. изображён второй итоговый спектр осветителя, когда светодиоды смешаны в соотношении: 3 LM, 70 LM, 238 LM (bg: cw: ww). Цветовая температура - 3560К, индекс цветопередачи - 96. Рисунок 3.1.2.- Синяя кривая – второй итоговый спектр осветителя 3.2 Формализация и ранжирование технических характеристик. Структурный синтез
Определение взаимного расположения элементов Как было отмечено ранее, в неизображающей оптической системе базовый элемент может являться и светосильным, если в качестве базового элемента применить “freeform” поверхность.
В качестве базового и коррекционного элемента были выбраны линза Френеля и фотонная воронка (линза ПВО). Методика моделирования неизображающих энергосберегающих систем, основанных на светодиодах заключается в применении линзы Френеля c фокусным расстоянием 1 метр. Данная линза размещается впереди линзы ПВО (freeform поверхность), находящегося перед каждым светодиодом. Такая конструкция позволяет создать освещение от каждого светодиода равномерным и избежать наклона вторичной оптики. Для достижения заданного освещения диаметр вторичной оптики должен быть приблизительно равным 22.4 мм и высотой 15.2 мм, что определяется конструктивными соображениями и выбранным количеством светодиодов. На рисунке 3.2.1. показано взаимное расположение элементов одного купола осветителя для операционной комнаты ILED3 (всего 3 купола). Купол содержит 10 светодиодов (все 3 купола состоят из 30 светодиодов). Рисунок 3.2.1.- Линза Френеля с 10 коллиматорами.
На рисунке 3.2.8. представлена фотонная воронка, диаметром 22.4 мм и высотой 15.2 мм. Воронка симметричная по окружности, но боковая поверхность и центральная линза имеют граненную поверхность. Рисунок 3.2.8. - Фотонная воронка
Воронка должна быть изготовлена из полиметилметакрилата (ПММА). Данный материал обладает исключительными оптическими свойствами (в видимой, УФ и ИК-областях спектра) и возможностью различных модификаций, которые обеспечивают успешное применение материала в светотехнике и оптике.
На рисунке 3.2.9 изображено распределение освещенности от одного светодиода Nichia NVSW219A, имеющего световой поток 163 ЛМ на расстоянии 1 метр от оптического прибора на поверхности 360мм X 360мм. Данная фотонная воронка применяется в осветительных модулях ILED3 и ILED5. Рисунок 3.2.9. - Распределение освещенности от одного светодиода. 3.3 Параметрический синтез неизображающей оптической системы для операционной комнаты
Модуль ILED3, состоящий из 16 фотонных воронок. На рисунке 3.5.2. показано распределение освещенности на экране размером 360мм X 360мм, расположенном на расстоянии 1м. Рисунок 3.5.2.- Распределение освещенности на экране размером 360мм X 360мм, расположенном на расстоянии 1м, для модуля ILED3.
Суммарный световой поток от светодиодов равняется 16 163 ЛМ = 2608 ЛМ (где «163 ЛМ» – соответствует усредненному световому потоку от одного светодиода для достижения базовой цветовой температуры - 4950K).
Итоговый световой поток прибора, равный 2680 ЛМ, обеспечивает 83.5% эффективности. Диаметр освещенной зоны на расстоянии одного метра равен 260 мм. Освещенность от одного модуля прибора равняется 100 000 Люкс. Три модуля осветительной системы обеспечивают 300 000 Люкс освещенности. Получившаяся освещенность в два раза превышает значение, заявленное в техническом задании, что в дальнейшем может рассматриваться как запас мощности, который покроет неизбежные световые потери при работе системы в условиях реальной эксплуатации. Поток от каждого светодиода может быть уменьшен для понижения пика освещенности, а также для уменьшения тепловой нагрузки и увеличения долговечности светодиода. По этим причинам может быть уменьшено и затенение рабочей поверхности.
