|
5.2 軸外結(jié)構(gòu)
圖5顯示了光線映射優(yōu)化后洗墻燈透鏡表面3維CAD模型與預(yù)計(jì)的照度分布。考慮到如光軸與目標(biāo)面高的傾斜角度、光源到目標(biāo)面短的距離及目標(biāo)面上均勻照度分布（2.8*2.8m2）等有難度的配置，我們選擇在方形區(qū)域中心2m*2m處，y軸橫截面強(qiáng)度變化小于10%，x軸橫截面強(qiáng)度變化小于30%。X和y強(qiáng)度值的不對(duì)稱(chēng)源于光學(xué)元件相對(duì)于目標(biāo)面的傾斜。最后，蒙特卡羅模擬顯示超過(guò)78%的光源光功率轉(zhuǎn)移到了目標(biāo)面上，包含菲涅爾損失，因此，說(shuō)明了本透鏡設(shè)計(jì)具有非常高的光學(xué)效率。因?yàn)楣庠村F角太寬導(dǎo)致菲涅爾損失較大（總的光學(xué)效率減少到70%），未能達(dá)到想要的目標(biāo)照度分布。
圖5.（a）自由光學(xué)曲面線框圖 (b)洗墻燈蒙特卡洛光線追跡后照度分布
6.比較一個(gè)自由曲面和兩個(gè)自由曲面的菲涅爾損失
圖.6 二維光學(xué)系統(tǒng)的曲線圖 (a)1個(gè)被激活自由曲面偏轉(zhuǎn)光線 (b)2個(gè)被激活的自由曲面可減少菲涅爾損失
為了評(píng)估透鏡的菲涅爾反射損失，我們已經(jīng)知道了光源光線到目標(biāo)點(diǎn)的映射，同時(shí)也知道了其幾何形狀。建立單個(gè)被激活的自由曲面，第一個(gè)透鏡面選為半球面，其中心點(diǎn)在點(diǎn)光源位置上，如圖6所示，第一面沒(méi)有提供任何的光線偏轉(zhuǎn)，第二面必須執(zhí)行整個(gè)光線映射。相反的，如果使用2個(gè)自由曲面，光線沿著第一個(gè)面偏轉(zhuǎn)，如圖6中所示。
為了分析菲涅爾反射，光線原本想透射出表面但被反射回去的光線均認(rèn)為是菲涅爾損失。
對(duì)于離軸洗墻燈的情況（如圖6b所示），在兩個(gè)面的偏轉(zhuǎn)角度平均分配前提下計(jì)算表面面型。菲涅爾損失是光線總的反射損失，可由菲涅爾公式給出[11]。圖7分別計(jì)算了使用1個(gè)自由曲面及兩個(gè)自由曲面的菲涅爾反射。
圖.7 （a）菲涅耳反射是入射角在光學(xué)表面的函數(shù)（Rin是光線進(jìn)入透鏡的反射率，Rout是光線離開(kāi)透鏡的反射率；S是垂直偏振光，P是平行偏振光，沒(méi)有添加偏振態(tài)的平均值）；（b）是兩個(gè)有效透鏡表面與單個(gè)有效表面系統(tǒng)的菲涅爾損失隨捕獲角度的變化。
透鏡的總菲涅爾損失也取決于光源可捕獲的角度，高的光學(xué)效率需要高的捕獲角。隨捕獲角度的變化兩面系統(tǒng)菲涅爾損失幾乎是常量。這是由于兩自由曲面系統(tǒng)中每一個(gè)面的入射角度沒(méi)有超過(guò)特定的臨界值，超過(guò)此值菲涅爾反射顯著增大（圖 7（b））。在目前例子下，最大入射角度典型的低于30度，這與單個(gè)自由曲面的例子形成了強(qiáng)烈的對(duì)比，它在第二個(gè)透鏡面最大的入射角非常接近于全反射，因此顯示了非常高的菲涅爾損失。
兩有效面總的菲涅爾損失在8%至10%左右，非常接近于正入射的損失，然而單個(gè)有效面的最小值在15%左右。由于相當(dāng)大的擾度作用，單個(gè)有效面透鏡小的捕獲角造成了菲涅爾損失強(qiáng)勁增長(zhǎng)，而大擾度是指引光線到目標(biāo)面的邊緣區(qū)所必需的。在第5部分計(jì)算得到菲涅爾損失與這里估算出來(lái)的結(jié)果相當(dāng)吻合。
7. 結(jié)論
我們演示了一個(gè)新的兩步光學(xué)設(shè)計(jì)算法，直接由提供的初步結(jié)果使用多自由曲面調(diào)整照度分布。這種算法計(jì)算速度快（在當(dāng)今的臺(tái)式算機(jī)上幾分鐘即可完成計(jì)算），并在一般照明應(yīng)用上驗(yàn)證了其適用性和實(shí)際意義。第一步主要計(jì)算從光源光線到目標(biāo)點(diǎn)的映射，隨后最佳化使其無(wú)旋度，在第二步中，使用從目標(biāo)面映射提取光線位置計(jì)算光學(xué)面。當(dāng)然，這個(gè)模式同樣適用于反射元件，本文沒(méi)有進(jìn)一步的深入。
使用該算法，有可能直接的調(diào)整多面光學(xué)系統(tǒng)（在本文中，我們用了雙邊自由曲面）獲得了近似于預(yù)先確定照度分布，而同時(shí)可捕獲從光源發(fā)出的大部分光線。增加多曲面自由度可用來(lái)減小菲涅爾損失，包含加工上的約束以及減小零件尺寸。
參考文獻(xiàn)
1. J. S. Schruben, “Formulation of a reflector-design problem for a lighting fixture,” J. Opt. Soc. Am. 62, 1498–1501 (1972).
2. H. Ries and J. Muschaweck, “Tailored freeform optical surfaces,” J. Opt. Soc. Am. A 19, 590–595 (2002).
3. W. A. Parkyn, “Illumination lenses designed by extrinsic differential geometry,” Proc. SPIE 3482, 389–396 (1998).
4. V. Oliker, “Designing freeform lenses for intensity and phase control of coherent light with help from geometry and mass transport,” Arch. Rational Mech. Anal. 201, 1013–1045 (2011).
5. P. Bentez, J. Miano, J. Blen, R. Mohedano, J. Chaves, O. Dross, M. Hernndez, J. Alvarez, andW. Falicoff, “SMS design method in 3D geometry: Examples and applications,” Proc. SPIE 5185 (2004).
6. A. Bruneton, A. B¨auerle, P. Loosen, and R. Wester, “Freeform lens for an efficient wall washer,” Proc. SPIE 8167, 816707 (2011).
7. S. Haker, L. Zhu, A. Tannenbaum, and S. Angenent, “Optimal mass transport for registration and warping,” Int. J. Comput. Vis. 60, 225–240 (2004).
8. F. R. Fournier, W. J. Cassarly, and J. P. Rolland, “Fast freeform reflector generation using source-target maps,” Opt. Express 18, 5295–5304 (2010).
9. L.-C. Evans, “Partial differential equations and Monge-Kantorovich mass transfer,” tech. rep., Department of Mathematics, University of California, Berkeley (2001).
10. “FRED Software - Optical Engineering,” http://www.photonengr.com.
11. W. Born and E. Wolf, ”Basic properties of the electromagnetic field,” in Principles of Optics 7th ed. (Cambridge University Press, 1999), pp. 41–42
注釋?zhuān)?nbsp;
FRED Optimum 是一套由Photon Engineering所開(kāi)發(fā)出來(lái)的光學(xué)工程仿真軟件，作為光機(jī)一體化的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以用在光學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，包括最初的概念驗(yàn)證，整合光學(xué)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)，對(duì)虛擬原型進(jìn)行全面分析，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行快速公差分析和優(yōu)化。它的顯示窗口為3D實(shí)體顯示工作平臺(tái)，具備快速的光線追跡功能，并且可以同時(shí)允許32核CPU進(jìn)行多線程運(yùn)算。
功能優(yōu)勢(shì)：
多軟件接口，可導(dǎo)入其他光學(xué)軟件（Zemax、CodeV、OSLO、ASAP）進(jìn)行整個(gè)光機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)，包含光線路徑、MTF、光程差、雜散光路徑、鬼像、PST與關(guān)鍵被照面、衍射、冷反射、紅外熱成像分析。
CAD導(dǎo)入無(wú)破損，可以導(dǎo)入CAD 模型并修改其參數(shù)和光學(xué)性質(zhì)。
整機(jī)裝配、pick up解、公差與靈敏度分析。
真實(shí)三維模型渲染和實(shí)時(shí)顯示窗口，可以直觀快速的找到光機(jī)系統(tǒng)中尺寸不匹配常見(jiàn)問(wèn)題。
可分析光學(xué)系統(tǒng)的三階像差、波像差、振幅、相位等光信息。
具有序列與非序列光線追跡能力，光線追跡數(shù)量數(shù)沒(méi)有限制。
可多達(dá)32核CPU的多線程運(yùn)算能力。
擁有內(nèi)置混合優(yōu)化功能，擁有fractional weighting功能以鏈接變量，可進(jìn)行局部和全局優(yōu)化，可內(nèi)建或從CAD導(dǎo)入的NURB表面進(jìn)行優(yōu)化，可大大減輕照明等領(lǐng)域的設(shè)計(jì)中繁重的工作量。
支持VB腳本編程，包含非常多的命令語(yǔ)言�？芍С謩�(chuàng)建和修改幾何模型、光源、鍍膜、材料、散射模型以及進(jìn)行光線追跡和計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。
14+BSDF散射模型，可用來(lái)仿真機(jī)械元件的表面散射，每個(gè)元件可賦予多個(gè)散射模型，所有的這些散射模型混合可形成成千上萬(wàn)的散射模型，并可模擬透鏡表面粗糙度。
擁有多種體散射模型，并支持腳本自定義散射模型，支持熒光粉、光學(xué)元件內(nèi)部缺陷的散射模型等。
支持IES TM-27-14 XML光譜文件直接導(dǎo)入。
FRED可以仿真同調(diào)及繞射光學(xué)系統(tǒng)，使用相對(duì)簡(jiǎn)單但是有效的光線追跡的擴(kuò)展方法，一般稱(chēng)為高斯光束分解。任何復(fù)雜的光場(chǎng)可以分解為高斯光束，這個(gè)方法允許我們可以處理相干光、偏振態(tài)，如高斯光源、相干性、光纖耦合分析，使光源更符合實(shí)際情況。可與FDTD Solutions 的矢量場(chǎng)數(shù)據(jù)交換，來(lái)處理宏光學(xué)系統(tǒng)和微結(jié)構(gòu)光學(xué)。
COM服務(wù)器/客戶端支持與Matlab Excel 等程序相互調(diào)用。
模擬太陽(yáng)光在不同位置、不同時(shí)間以及一系列環(huán)境因素如大氣氣溶膠厚度、大氣可降水量、表面壓強(qiáng)等對(duì)接受面照度影響。
無(wú)級(jí)次限制的衍射光柵效率計(jì)算。
|
