Разработка основ композиции "неизображающих" оптических систем осветительных устройств

• Автор: Гапеева, Анастасия Викторовна
• Шифр специальности: 05.11.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 81 с. : ил.

Содержание
ГЛАВА 1. СВЕТОВОЙ ПРИБОР
1.1 «Неизображающие» оптические системы
1.2. Осветительные устройства различных назначений
1.2.1 Проекционные аппараты
1.2.2 Осветительная система микроскопа
1.2.3 Приборы прожекторного типа
ГЛАВА 2. ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ НЕИЗОБРАЖАЮЩЕЙ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОСВЕТИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА
ГЛАВА 3. ПРЯМАЯ И ОБРАТНАЯ ЗАДАЧИ РАСЧЕТА ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТИ РАВНОГО ЭЙКОНАЛА ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ДВУМЕРНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОСВЕЩЕННОСТИ
ГЛАВА 4. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
4.1. Метод мультиплицирования изображения
4.2. Метод элементарных отображений
4.3. Метод точечной диаграммы
ГЛАВА 5. КОМПОЗИЦИЯ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ СПЕЦИАЛЬНЫХ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ И ПРИЕМНЫХ СИСТЕМ
5.1 Оптическая система канала подсветки
5.2 Оптическая система приёмного канала
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Диссертационная работа посвящена разработке основ композиции «неизображающих» оптических систем, служащих для формирования заданного распределения светового потока на освещаемой поверхности или в пространстве.
Актуальность исследования.
Сформировать требуемое распределение освещенности или силы света требуется при решении многих технических задач, таких как расчет светотехнических устройств, расчет систем навигации, безопасности, аварийного, жилого, промышленного освещения и т.д. Эта задача может быть решена с помощью оптических элементов и систем различной конфигурации [1]. Для обозначения класса систем, основное назначение которых - перераспределение потока источника требуемым образом с максимальной эффективностью, в мировой и отечественной литературе используется понятие «неизображающая» оптика, хотя, строго говоря, не существует оптических систем, не создающих изображения. Существуют оптические системы за счет перераспределения лучей образующие,
например, равномерно освещенную площадку, которая является
интегральным изображением предмета [2]. К таким системам относят оптические системы осветительных, фотометрических и некоторых
фотоэлектрических приборов.
Задачу расчета «неизображающих» оптических элементов для
формирования заданного распределения освещенности или силы света обычно решают в приближении геометрической оптики, т.к. длины волн применяемых источников излучения много меньше размеров освещаемой области и элементов осветительной системы. В этом случае, требуемое распределение потока определяется формой волнового фронта (поверхности равного эйконала), по нормалям к которому распространяются лучи.
С математической точки зрения, задача расчета оптической поверхности, формирующей требуемое распределение светового потока на плоскости или в пространстве, является обратной задачей. В приближении геометрической оптики обратная задача сводится к решению нелинейного дифференциального уравнения типа Монжа-Ампера [3-5]. Методы решения данного уравнения известны только для случаев радиальной и цилиндрической симметрии.
В светотехнике существует ряд методов для расчета оптических элементов, создающих требуемое распределение светового потока [6-19]. Методы светотехники позволяют учесть размер и форму источника света, но они могут быть применены только для систем, обладающих радиальной или цилиндрической симметрией.
Ввиду того, что «неизображающие» элементы и системы, как следует из их названия, не создают изображения, для оценки качества их расчета не применимы такие традиционные критерии, как поперечные или волновые аберрации, хроматические аберрации, среднеквадратическое отклонение волнового фронта, функция концентрации энергии, функция передачи модуляции и т.п. [20]. Но, тем не менее, многие «неизображающие» системы и их элементы могут быть рассчитаны с помощью методов, применяемых для расчета оптических систем, создающих изображение, таких как композиция [21], методы на основе аберраций третьего порядка [22, 23, 24], а также методы на основе подбора аналогов. В частности, в рамках теории аберраций такие системы, как конденсоры, прожекторы и пр. оцениваются чаще всего по величине поперечной сферической аберрации или размеру пятна рассеяния (размеру изображения точечного объекта) [2]. Тем не менее, оценка с точки зрения аберраций не всегда дает адекватное представление о качестве освещения (например, равномерности распределения освещенности или распределении силы света), а также о потерях энергии (светового потока) в системе [25].

геометрической волновой поверхностью или геометрическим волновым фронтом.
Применив к выражениям (3.5) известные векторные тождества, при
~>® получаем:
{grad L) = пх

(dLY Г6LЛ Z

<дх) [dz J

(3.6)
(3.7)
п = л[гх -

где " ^ “г~ показатель преломления. Функцию ' называют
эйконалом, а уравнение в форме (3.6) или (3.7) - уравнением эйконала.
Средняя во времени величина вектора Умова-Пойнтинга определяется выражением:
(G ) =—(we)gradL

Средняя во времени
(w) = (we) + (wm) = 2(we)
плотность
полной
(3.8)
энергии
При п отношение

grad L
, а отношение
в соответствии с
уравнением (3.6) эйконала определяет некоторый единичный вектор s, равный
_ grad L grad L
п grad L (39j
В результате получаем, что
(е> = ГМз (310)
Отсюда следует, что направление усреднённого во времени вектора Умова-Пойнтинга совпадает с нормалью к геометрическому волновому фронту, а абсолютная его величина равна произведению средней плотности