Методы, модели и инструментальные средства проектирования неизображающих оптических систем с применением поверхностей типа "freeform"

• Автор: Летуновская, Марина Валерьевна
• Шифр специальности: 05.11.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 97 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ. МЕТОДЫ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА
НЕИЗОБРАЖАЮШИХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
1.1 Структурные элементы оптической схемы: приемники, источники
1.2 . Понятие неизображающей оптической системы
1.3 Понятие метода, модели и инструментального средства
1.4. Инструментальные средства проектирования неизображающих оптических систем
1.4 Основные методы проектирования неизображающих ОС
1.5. Определение и понятие "freeform"
Выводы по главе
ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕИЗОБРАЖАЮЩИХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ С
ПРИМЕНЕНИЕМ "FREEFORM"ПОВЕРХНОСТЕЙ
2.1 Структурный синтез неизображающих оптических систем
2.2 Ранжирование осветительных систем по техническим характеристикам
2.3 Функциональное элементы, формирующие систему
2.3 Параметрический синтез неизображающих оптических систем
2.4 Оптимизация
2.5 Инструментарий проектирования неизображающих оптических систем с
применением “freeform” поверхностей
Выводы ПО ГЛАВЕ
ГЛАВА 3 ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕИЗОБРАЖАЮШЕЙ
ОСВЕТИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОПЕРАЦИОННОЙ КОМНАТЫ
3.1 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ НА НЕИЗОБРАЖАЮЩУЮ ОСВЕТИТЕЛЬНУЮ СИСТЕМУ ДЛЯ
ОПЕРАЦИОННОЙ КОМНАТЫ
3.2 Формализация и ранжирование технических характеристик. Структурный синтез
3.3 Параметрический синтез неизображающей оптической системы для операционной
комнаты
3.5 Результат прохождения лучей через модуль ILED3 и ILED5.
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Актуальность
В современном мире все более и более актуальными становятся исследования в области фотоники. Появляются новые «ответвления» направления исследований. К числу таких направлений можно отнести: исследования в области осветительных систем, сенсоров, фотогальванических концентраторов. Особый статус необходимости получили неизображающис оптические системы с использованием “freeform” поверхностей, которые имеют широкий спектр применения во многих отраслях промышленности.
Например, подобные поверхности применяются
• В изображающих оптических системах: гибридных объективах
• В пеизображающих оптических системах: светофоры, фонари,
осветительные системы, оптические приборы медицинской техники,
фотогальванические концентраторы
Применение “freeform” поверхностей позволяет получать системы с новым качеством с уменьшенным количеством оптических компонентов, обеспечивающих высокие потребительские свойства: малые габариты, вес, высокое оптическое
пропускание.
Такие поверхности, очевидно, требуют новых средств проектирования и моделирования.
Активная разработка таких систем началась в шестидесятые годы двадцатого века, в то время как многие математические методы, которые впоследствии легли в их основу - были разработаны в девятнадцатом веке Декартом, Френелем и др. Таким образом в проектировании неизображающих систем сплетаются гениальные теории прошлого с современными методами проектирования и достижениями высоких технологий изготовления сложнейших элементов современной фотоники.
Вопросы теории и практики расчета неизображающей оптики рассмотрены в трудах R. Winston, W. Welford. W. Cassarly, P. Benitoz, R. Minano, B.K. Баранова, С. В. Кудаева, М.А. Моисеева, JI.JI. Досколовича и др.
Поэтому разработка методов моделирования и алгоритмов проектирования оптических систем с применением “freeform” поверхностей и других инструментальных средств для их расчета является актуальной задачей исследования.

Существует множество методов расчета сложных изображающих и неизображащих оптических систем, которые разрабатывались на протяжении многих лет. Однако, до сих пор не существует единой методики создания оптических систем на основе поверхностей “freeform” и эта тема продолжает активно развиваться о чем можно судить по возрастающему количеству публикаций и многочисленным конференциям, посвященным этой тематике.
Именно поэтому тема настоящего исследования: методы, модели и
инструментальные средства проектирования неизображающих оптических систем с применением поверхностей типа “freeform” является действительно актуальной.
Также следует отметить, что в настоящий момент большинство последних публикаций по теме неизображающей оптики выпущены за рубежом, поэтому считаем, что перенос, осмысление и развитие передового зарубежного опыта должно быть полезно отечественной науке.

Целью данной работы является разработка методов моделирования и инструментальных средств проектирования неизображающих оптических систем с применением поверхностей типа “freeform”
Задачи
1. Анализ существующих методов проектирования неизображающих оптических систем с применением “freeform” поверхностей
2. Анализ методов математического моделирования оптических систем с применением “freeform” поверхностей
3. Анализ существующих алгоритмов моделирования оптических систем с применением “freeform” поверхностей
4. Анализ условий создания оптической системы с применением “freeform” поверхностей.
5. Разработка теории синтеза неизображающих оптических систем и формализация процесса проектирования
6. Разработка рекомендаций по выбору метода расчета
7. Разработка осветительной оптической системы для хирургической комнаты, с применением данной методики.

Рисунок 1.5.2 Начальные ребра в методе SMS [21]
Из каждой точки «начального ребра» SMS метод проектирования, применяемый к красному и голубому волновым фронтам, обеспечивает последовательность изолированных точек на обеих поверхностях, названных цепочкой SMS. После сглаживающей интерполяции между смежными точками цепи SMS, метод может быть применен для объединения изолированных точек на обеих поверхностях, создавая SMS-хребет, который расположен поперек «начального ребра» (рисунок 1.5.3). Следовательно, процедура гарантирует хорошее сопряжение голубого и красного волновых фронтов, тогда как розовый и зеленый волновые фронты хорошо сопряжены только вдоль «начального ребра» в плоскости симметрии.