Введение к работе
Актуальность работы. Развитие световых приборов в значительной мере определяется совершенствованием и развитием методов их светотехнического расчета. Важнейшим направлением в этой области является создание и внедрение в практику проектирования световых приборов /СП/ автоматизированных рабочих мост /АРМ/ и систем автоматзированного проектирования /САПР/ световых приборов, что способствует повышению технического уровня и качества проектируемых изделий, сокращению сроков их разработки и внедрения в производство.
Основой создания АРМ и САПР СП является использование современных быстродействующих ЭВМ, эффективных вычислительных алгоритмов и математических методов решения задач светотехнического расчета /СР/. В свою очередь, СР осковызается на решении последовательности прямых задач расчета СП, т.е. нахождение светораспределения СП при известных параметрах оптической системы и источника света. Известны различные методы реиения прямой задачи расчета СП, основанные : на методе элементарных отображений (Карякин Н.А., Трембач В.В.); на основе методов гармонического анализа (Арендарчук А. В., ГитинА.В.); чкеленно-лучевио методы (Медведев В.Е., Парицкая Г.Г.; Куц O.K., Коробко А.А.).
При этом, с одной стороны, трудоемкость методов решения прямой задачи в значительной степени определяет трудоемкость СР в целом. С другой стороны, общесистемные принципы построения современных САПР и ее компонентов накладывают на эти методы такие требования, как высокая степень алгоритмизации методов, позволяющая реализовывать их на ЭВМ, универсальность используемых моделей и алгоритмов, возможность их дополнения и расширения путем последовательного наращивания без изменения структуры самой САПР или АРМ.
Среди существующих на сегодняиний день методоз реиения прямой задачи СП в наибольшей степени требованиям САПР/АРА! СР. отвечают численно-лучевые методы, основанные на трассировке световых лучей : методы обратного и прямого хода лучей. Однако присущие данным методам недостатки сдерживают их применение в АРМ и САПР СП: метод обратного хода обладает высокой точность?, но при этом требует значительного объема вычислении, а метод прямого хода лучей хотя и имеет априорно меньшую трудоемкость, однако его точность сравнительно невысока.
Поэтому является актуальной задача создания на основе
численно-лучевой схемы расчета такого метода решения прямой задачи СП, который бк синтезировал преимущества методов прямого к обратного хода лучей и при этом был свободен от их недостатков, а также задача реализации такого метода в ваде эффективных численних алгоритмов и построения на их основе компонентов САПР и АРМ СП.
Цели работы :
-
Разработка метода расчета, позволяющего решать прямую задачу световых приборов для широкого' класса светооптических систем и обладающего при этом приемлимой трудоемкостью и точностью для использования в САІІР/AFM СП.
-
Разработка методов и алгоритмов математического моделирования светотехнических характеристик источников излучения различных типов и оптических систем, позволяющих учитывать такие' факторы, как многокомпонентность ОС, наличие в ней преломляющих, отражающих и рассеивающих оптических элементов, а также локальные геометрические погрешности их изготовления; геометрическую форму и . распределение яркости источников излучения.
-
Реализация методов и алгоритмов в виде пакета прикладных программ в соответствии с основными принципами построения САПР/АРМ. ; ,'; .
-
Оценка точности методов математического моделирования и их области применения на основе сопоставления расчетных и экспериментальных данных.
Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:.
і. Прямая задача световых приборов-представляет.-.собой'линей--.'
кую краевую задачу для уравнения переноса. Решением краевой задачи
методом функций Грина является интеграл суперпозиции, связывающий
основные фотометрические величин с распределением, яркости
источника света. Построение 'функций, Грина оптических';систем
световых приборов для нахождения основных фотометрических.величинГ
в общем случае осуществляется путем,применения численно-лучевых
методов расчета. '"'"'.''; :';"::\ ''":'' '"'::-'''.
2. Разработанный спектральный метод решения краевой задачи световых приборов". позволяет повысить точность, обычной '.. схемы численно-лучевого метода прямого хода лучей вследствие. перехода к интегрированию по поверхности приемника, осуществляемому'при разложении искомой фотометрической величины по ортогональному базису.
-
Статистическая формулировка спектрального метода и реализация егс в вида алгоритмов метода Монте-Карло с использованием статистических весов и рандомизации позволяет уменьшить трудоемкость метода по сравнению с обычной расчетной схемы в среднем в 10 раз.
-
Разработанные методы математического моделирования позволяют рассчитывать^ светораспределенио СП с многолокпокеятними оптическими системами, включающими отражающие и предомляадие оптические элементы, и различными типами источников излучения.
-
Исследование трудоемкости спектрального метода и сопоставление его с традиционней численно-лучевой схемой подтверждает эго более высокую эффективность. Подтверждена адекватность используемых моделей и методов на основе проведения тестовых расчетов, а также сопоставления расчетных и экспериментальных данных. Предложенные методы расчета реализованы б виде автоматизированного рабочего места инженера-исследователя и проектировщика мкого-
элементных оптических систем.
Научная новизна -.
. : '1. На основе теории переноса излучения дана общая математическая формулировка прямой задачи световых приборов в виде линейной краевой задачи, решение которой может быть представлено в ьидо суперпозиции фундаментальных решений (функций Грина).
;2. Разработан новый метод расчета (спектральный метод) фотометрических характеристик на. выходе светооптических систем СП, '..дозволяющий. повысить точность обычной схемы числанно-лучэвого ^метода прямого хода лучей.
,';;..' .':.'з. Предложена статистическая формулировка методов математического моделирования многокомпонентных оптических систем, позволяющая, учитывать наличие в ОСсветорассеивающих элементов, а также технологические;погрешности изготовления оптических элемонтоз.
.4. Проведен анализ сходимости спектрального метода к точному . решению;'. даны рекомендации по уменьшению погрешности метода nyww /фильтрации ; коэффициентов Фурье функции искомого светораслродело-;':етя,.;. найденных : в: ходе расчета с погрешностью вике заданно;'.; ^определена область применимости метода.
/) Практическая ценность ; :
;;.\/;:р'Х-''-Разработанные методы расчета и математического глоделироза-'ния'светооптических систем реализованы в вида АРМ разработчика и .: иследователя светооптических систем СП.
г. Эффективный расчетный алгоритм, лежащий в основе АРМ светотехнического расчета СП, позволяет в реальном масштабе времени отслеживать изменение светораспределения СП при варьировании параметров его светооптической системы, и применять данную АРМ при проведений проектирования и оптимизации светооптических систем в диалоговом режиме путем направленного перебора решений прямых задач.
3- На основе АРМ было произведено моделирование светооптической системы многалинзового театрального прожектора, оценено влияние расфокусировок источника света и параметров контротражателя, а также проведено сравнение экспериментальных и расчетных данных.
Апробация работы. Основные результата диссертационной работы докладывались на конференции молодых ученых и специалистов во. ВШИС, в Саранске (1990 г.); заседании секции "Осветительные установок! и приборы, комлектующие электроустановочных устройств, технология и катериалы" НТС ВНИСИ (1990 г.); 1-ой Международной Светотехнической конференции, Санкт-Петербург (1993 г.); VII Европейском светотехническом конгрессе "Люкс-Европа" (1993 г.); семинарах кафедры светотехники МЭИ.
Публикации. Основные научные положения диссертационной работы изложены в 4 печатных трудах.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения (в виде основных выводов по работе), списка литературы (63 наименования) и приложения.
