(44-5) 05 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Оптимизационный метод расчета оптических элементов при протяжённом источнике излучения
Е.В. Бызов 1, С.В. Кравченко 1, М.А. Моисеев 1, Л.Л. Досколович 1,2

1 ИСОИ РАН – филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН,
443001, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 151,

2 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва,
443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, д. 34,

 PDF, 1043 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-762

Страницы: 712-720.

Аннотация:
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.

Ключевые слова:
поверхность свободной формы, трассировка лучей, оптимизация, оптика для светодиодов, распределение освещенности, неизображающая оптика, оптический дизайн.

Благодарности
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках выполнения работ по Государственному заданию ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН в части численного моделирования работы оптических элементов и Российского научного фонда (проект № 18-19-00326) в части разработки метода и расчёта поверхностей оптических элементов.

Цитирование:
Бызов, Е.В. Оптимизационный метод расчета оптических элементов при протяжённом источнике излучения / Е.В. Бызов, С.В. Кравченко, М.А. Моисеев, Л.Л. Досколович // Компьютерная оптика. – 2020. – Т. 44, № 5. – С. 712-720. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-762.

Citation:
Byzov EV, Kravchenko SV, Moiseev MA, Doskolovich LL. Optimization method for designing optical elements with an extended light source. Computer Optics 2020; 44(5): 712-720. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-762.

Литература:
  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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.
  11. 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.
  12. 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.
  13. 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.
  14. Fournier, F. Optimization of freeform lightpipes for light-emitting-diode projectors / F. Fournier, J. Rolland // Applied Optics. – 2008. – Vol. 47. – P. 957-966.
  15. 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.
  16. 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.
  17. 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.
  18. Chaves, J. Introduction to nonimaging optics / J. Chaves. – 2nd ed. – CRC Press, 2016.
  19. 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.
  20. 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.
  21. 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.
  22. 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.
  23. 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.
  24. 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.
  25. 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.
  26. 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.
  27. Robert, C.P. Monte Carlo statistical methods / C.P. Robert, G. Casella. – 2nd ed. – Springer, 2004. – ISBN: 978-1-4419-1939-7.
  28. 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.
  29. Cormen, T.H. Introduction to algorithms / T.H. Cormen, C.E. Leiserson, R.L. Rivest. – MIT Press, 1989.
  30. Sedgewick, R. Algorithms in C++. / R. Sedgewick. – Addison-Wesley, 1992.
  31. Шикин, Е.В. Кривые и поверхности на экране компьютера. Руководство по сплайнам для пользователей / Е.В. Шикин, Л.И. Плис. – М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1996.
  32. Бикубическая интерполяция [Электронный ресурс]. – URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Bicubic_interpolation (дата обращения 23.07.2020 г.)
  33. 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.
  34. 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.
  35. TracePro – программное обеспечение для дизайна и моделирования оптических систем. – URL: https://www.lambdares.com/tracepro/ (дата обращения 23.07.2020 г.).

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20