Геометрооптический расчет мезооптических преломляющих поверхностей

• Автор: Дмитриев, Антон Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 102 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 РАСЧЕТ ПРЕЛОМЛЯЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОДНОПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ДИАГРАММ
НАПРАВЛЕННОСТИ (ДН)
1.1 Общее представление преломляющей поверхности для формирования однопараметрической ДН
1.2 Расчет преломляющей поверхности при точечном источнике.
1.3 Расчет преломляющей поверхности для формирования. ДН в виде отрезка
1.4 Расчет преломляющей поверхности для формирования ДН в виде отрезка с заданным распределением энергии
1.5 Расчет преломляющей поверхности для фокусировки в кривую
1.6 Расчет преломляющей поверхности для формирования ДН в виде прямоугольника
Выводы к главе
ГЛАВА 2. ГЕОМЕТРООПТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДИФРАКЦИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ (ДОЭ) ДЛЯ ФОКУСИРОВКИ В КРИВУЮ В НЕПАРАКСИАЛЬНОМ СЛУЧАЕ
2.1 Расчет эйконала дифракционного оптического элемента в декартовой системе координат
2.2 Расчет эйконала ДОЭ в криволинейной системе координат..
2.3 Формирование заданной линейной плотности энергии вдоль кривой фокусировки
2.4 Фокусировка в наклонный отрезок
2.5 Расчет ДОЭ для фокусировки в кривую, лежащую в плоскости, перпендикулярной оптической оси
2.6 Примеры расчета эйконала ДОЭ для фокусировки в отрезок и дугу окружности
2.7 Расчет преломляющих оптических элементов для фокусировки в отрезок и дугу окружности
Выводы к главе
ГЛАВА 3. АСИМПТОТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СВЕТОВОГО ПОЛЯ ФОРМИРУЕМОГО ДОЭ ДЛЯ ФОКУСИРОВКИ В ЛИНИЮ
3.1 Расчет ДОЭ для фокусировки в линию в параксиальном случае
3.2 Асимптотический расчет распределения интенсивности светового поля от ДОЭ для фокусировки в линию в параксиальном случае.
3.3 Расчет распределения интенсивности светового поля от ДОЭ для фокусировки в отрезок 8
Выводы к главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ
Диссертационная работа посвящена решению задач расчета мезооптических преломляющих поверхностей для формирования однопараметрических диаграмм направленности и фокусировки в кривую в приближении геометрической оптики.
Актуальность исследования. Термины «мезооптика», «мезооптический элемент» были введены российским ученым Л.М. Сороко для оптических элементов и систем, преобразующих сферический световой пучок от точечного источника в однопараметрическое множество точек (в кривую) [1, 2]. В качестве мезооптических элементов Л.М. Сороко рассматривал оптические элементы, соответствующие комбинации аксикона и линзы и предназначенные для формирования изображения в виде окружности или отрезка оптической оси. В настоящей работе рассматриваются преломляющие поверхности и оптические элементы, предназначенные для формирования однопараметрических диаграмм направленности и фокусировки в кривую. Указанные поверхности и элементы могут быть отнесены к мезооптическим.
Задачи расчета мезооптических элементов для формирования однопараметрических диаграмм направленности (ДН) и фокусировки в кривую актуальны для большого числа практических приложений, включающих расчет светотехнических устройств, расчет лазерных технологических систем, элементов систем навигации и безопасности, систем аварийного, жилого и промышленного освещения и т.д.
Одним из перспективных применений методов расчета преломляющих поверхностей, предложенных в работе, является расчет оптических головок светодиодов и светотехнических устройств на их основе. До недавнего времени основными используемыми источниками света являлись лампы накаливания. В настоящее время эволюция светотехнических устройств направлена на переход от ламп к светодиодам. Светодиоды имеют ряд
неоспоримых преимуществ, они компактны, устойчивы к вибрациям и механическим ударам, имеют большой срок службы, имеют большую эффективность, мгновенно включаются, позволяют генерировать свет только определенной длины волны. Малый, по сравнению с лампами, размер излучающего тела светодиода позволяет эффективно управлять излучением светодиода.
В приближении геометрической оптики, обратная задача формирования заданной ДН или фокусировки в кривую сводится к решению нелинейного дифференциального уравнения типа уравнения Монжа-Ампера [3-9] и в общем трехмерном случае является крайне сложной. Методы решения данного уравнения известны только для случаев радиальной и цилиндрической симметрии [10-12].
В работах [13-24] для расчета оптических поверхностей (преломляющих и отражающих) используются итерационные методы, основанные на минимизации критериев, представляющих отличие формируемого распределения освещенности от заданного. В работах [13-19] рассмотрены градиентные методы расчета преломляющих поверхностей, основанные па оптимизации параметров функции эйконала, заданной в плоское I и, прилегающей к оптическому элементу, и последующем восстановлении преломляющей поверхности, формирующей полученное распределение эйконала. Указанные методы обеспечивают низкую среднеквадратическую ошибку формирования требуемых распределений освещенности и ДН излучения. Недостатками методов [13-24] являются высокая вычислительная сложность, возникающая из-за необходимости многократного решения прямой задачи расчета интенсивности или освещенности на каждом шаге итерационного процесса. Кроме того, методы [13-17] не учитывают френелевские потери, что приводит к значительным ошибкам при формировании ДН с большим угловым размером.
Для формирования ДН в виде линии (то есть ДН, представленных
вектор-функцией одного аргумента) разработан ряд методов. В [25-31]

qO,j’,a) =
(X(a)-M)
^/(X(a)-M)
и углом при вершине а(о) = arccos
/а[/(ст)Л
Случай, когда
до 5v|/(c)
(1.55)
(1.56)

> 1, соответствует полному внутреннему отраже-
нию лучей от поверхности.
1.6 Расчет преломляющей поверхности для формирования ДН в виде прямоугольника
В данном пункте рассматривается задача формирования ДН в виде прямоугольника. Приближенным решением данной задачи является преломляющая поверхность, формирующая мнимое изображение в виде отрезка. Геометрия задачи представлена на рисунке 1.12.
Рисунок 1.12 - Геометрия задачи формирования ДН в виде прямоугольника