自由曲面反射器的计算机辅助设计

多曲面反射体车灯是目前高档轿车前照灯普遍采用形式。这种车灯具有很多优点,但其设计难度很大,必须依赖计算机辅助设计的手段,目前我国车灯企业不具备自主开发设计能力。为此研究了自由曲面反射式照明系统的设计理论和算法,采用多块均匀B样条曲面拼和构成的多曲面反射体,根据使用者提出的测试屏上不同位置的光型分布要求,从几何光学出发通过光路追迹确定曲面型值点的坐标,然后反算出控制顶点,得到满足复杂配光要求的自由曲面的结构参量,通过设置边界条件解决了分块式自由曲面反射器设计中棘手的区块间光滑连接的问题。研制的软件已能够从点光源出发自动设计出满足照明光型的多曲面反射体面型。     

几何光学 光学系统、成像与分析

O435．1 2005031632 多曲面反射体的计算机辅助设计及优化=Automatic de- sign and optimization of segmented free form reflector[刊, 中]／杨波(北京理工大学光电工程系．北京(100081)),刘 一超…∥光子学报．-2004,33(8)．-970-973 研究了自由曲面反射式照明系统的设计理论和方法。 根据反射器的尺寸、位置以及配光要求按点光源设计得到 曲面型值点初始坐标后,将双三次B样条曲面引入照明系     

自由曲面反射器的计算机辅助设计

自由曲面反射器的计算机辅助设计=Computer aided design on free from reflector[刊,中]/杨波(北京理工大学光电工程系.北京(100081)),王涌天∥光学学报.—2004,24(6).—721-724 研究了自由曲面反射式照明系统的设计理论和算法.采用多块均匀B样条曲面拼合构成的多曲面反射体,根据使用者提出的测试屏上不同位置的光型分布要求,从几何光学出发通过光路追迹确定曲面型值点的坐标,     

实现均匀照明的自由曲面反射器

通过单个自由曲面反射器的反射,令光源发出的能量重新分布,在特定照明面上实现所需照明,从而简化了投影设备中的照明系统,使设备的进一步小型化成为可能。根据给出的光源辐射特性和所需实现的照明面上的能量分布,可得到一组偏微分方程,数值差分求解直接得到自由曲面反射器。光源采用发光面积1 mm×1 mm朗伯体发光的LED,视角为120°,照明面为4:3的均匀矩形光斑。设计了两种自由曲面反射器,并用软件对得到的曲面进行了照明模拟,模拟得到的照明均匀性接近90%。两种反射器在光轴方向上的投影尺寸均小于25 mm,垂直光轴方向上投影长度均小于22 mm,照明系统总长均小于40 mm,结构紧凑,适用于小型LED投影设备。     

面光源矩形匀光照明反射器数学建模分析

通常反射器照明器件结构对面光源出射光线难以有效控制,用透镜又存在不可避免的色散问题。采用面光源置于反射器杯口,出光面背对目标面的结构,提出一种分点、分区控制光线的自由曲面反射器的设计方法。利用有限元法划分面光源,将微面光源视为点光源,根据矩形匀光照明配光条件,建立面光源与目标面的能量对应关系。根据微分几何理论和Snell定律,建立反射器的数学模型,只要给定参数,无需进行反馈优化,即可用Matlab软件给出自由曲面反射器的数值解。以台灯照明为例,用光学设计软件对其性能进行了模拟应用分析,结果表明,在有效照明区域内均匀度可达到80%以上,光能利用率达到90%。     

基于均匀照明的LED反射器的设计

为了创造良好的视觉环境,并提高光能利用率,设计了一种基于均匀照明的LED反射器。之所以选用球面环形阵列LED光源,第一是为扩大照明范围,其次是为了避免面光源垂直照射产生光强过强而导致的眩晕。设计的反射器是运用划分网格的方法获得自由曲面面型,运用机械建模软件拟合曲面的实体模型,进行了照明仿真模拟及分析。结果表明,与传统的反光器相比,自由曲面的反射器能较大程度地利用光源发出的能量,而且均匀性也有很大的提高。     

基于单曲面迭代计算的曲面透镜设计方法

为在平面上实现所需的照明,满足照明系统的要求,需要对光学系统进行二次设计。传统的设计方法往往用规则曲面指定透镜的一个表面,并以此为基础来设计另个一表面,这样会导致其表面形状复杂,不方便加工或装配。对此,提出了一种基于单曲面迭代计算的透镜曲面设计方法,即适当设计指定光线从透镜的一个表面到另一个表面的光路分布,再以此分别迭代计算透镜的各个表面。该设计方法采用两个自由曲面配合成曲面透镜,较以往的设计方法更加灵活、方便,设计得到的曲面镜头较以往更加简单光滑,便于加工和装配。结合一陈列灯镜头设计,给出了基于单曲面迭代计算的曲面透镜设计计算结果。     

应用于投影光刻离轴照明的自由曲面设计

离轴照明是现代投影光刻中的一种重要的分辨率增强技术.针对不同的照明模式要求,提出了一种利用自由曲面来实现离轴照明的方法.根据入射面和目标面之间的坐标拓扑和能量守恒关系,利用数值求解法得出自相应的折射式自由曲面并对结果进行模拟,分别设计了环形、二极和四极照明,照明效率均达到90%以上,照明均匀性均优于93%.结果表明,可...     

基于微分几何的矩形照度分布自由曲面反射器设计

在LED照明应用中为实现矩形均匀照度分布要求,提出了一种基于一阶线性偏微分方程的自由曲面反射器设计方法。基于微分几何理论和折射定律描述了光线与自由曲面的相互作用。根据LED光源特性建立了朗伯光源与矩形被照面之间的能量拓扑关系,推导了自由曲面反射器的一阶线性偏微分方程和边界条件。分别使用Runge-Kutta法和有限差分法对边界条件和偏微分方程进行数值计算,并对计算结果进行光线追迹仿真。仿真结果表明自由曲面反射器光通利用率达到了94%,矩形被照面横向照度均匀度达到了0.9,纵向照度均匀度达到了0.8。程序计算时间少于1s。     

基于自由曲面的LED全反射准直透镜的设计

为在特定角度范围内实现所需照明,满足各类LED照明系统的要求,提出一种适用于扩展光源的透射 全反射复合曲面的LED透镜设计方法。根据光源的大小由非成像光学原理确定反射面面型并计算光源发散角度,再根据照射的角度要求进行自由曲面的透镜设计。文章给出了设计思想及方法,并设计了一款出射半角为2.5的透镜实例,分析了误差对实际结果的影响。     

Efficient ray-tracing for free-form reflectors

Efficient ray-tracing is the basis for computer-aided design and analysis of illumination optical systems, which requires the sampling of hundreds of thousands of rays to achieve accurate results of illumination analysis. One type of most widely used illumination systems is free-form segmented reflectors with B-spline surfaces. An iterative method is used to calculate the coordinates of the intersection point of an incident ray with a B-spline surface in 3D space. Formulae are given to calculate the direction cosines of the surface normal at the intersection point, so that the direction cosines of the reflected ray can be obtained. For segmented reflectors, a method is presented to rapidly determine the segment with which the incident ray strikes. Experimental results show that the scheme proposed in this paper can perform ray-tracing through free-form reflectors with excellent efficiency, and is suitable for use in CAD software for vehicle headlights, for example.     

LED照明系统的光照均匀性设计

随着大功率LED发射光强的不断提高,采用单粒LED为光源的照明系统已能满足许多场合的照明需求。根据非成像反射器的设计方法,研究了一种以单粒LED为光源的照明系统光照均匀性问题,提出了一种能实现目标平面特定区域内的照度值为常数的光反射器面形设计方法。该方法根据目标平面上的照度分布函数建立微分方程,通过求解微分方程得到反射器面形轮廓的函数,根据该函数建立照明系统的模型,用ASAP对该模型进行光线追迹,得到系统的光照均匀性,并进而确定适合数控加工的反射器面形数据。     

激波聚焦反射的实验和数值研究

 采用高速摄影技术和数值模拟方法,对入射激波在两种不同形状的抛物形反射器表面聚焦和反射的过程进行了研究,得到了激波聚焦反射过程的波系结构的实验阴影照片和数值计算结果,两者符合得很好。对激波聚焦形成的气体动力学焦点的特性进行了分析,结果表明,入射激波在两种反射器反射后聚焦所形成的气体动力学焦点均是由三波点在轴心处的会聚所导致的,气体动力学焦点位于相应的反射器壁面的几何焦点附近。不同的反射器中,激波聚焦前后的波系结构也不同,对较浅的反射器,入射激波反射前在反射器壁面形成了弓形激波,反射之后需要相对较长的时间完成聚焦,形成聚焦反射激波之后弓形激波仍未相交;对较深的反射器,入射激波反射后在更短的时间内聚焦,聚焦时弓形激波已经相交,聚焦反射激波之后的流场波系结构更加复杂。     

Specially profiled reflector for spherical front beams focusing

Focusing the power emitted from a source with spherical wave front by a specially profiled reflecting surface has been attempted using the simple ray tracing method. The reflector (mirror) surface profile that achieves such power redistribution is obtained from solving an ordinary first order differential equation using common numerical techniques. Furthermore, the proposed methodology can be useful to design complex reflectors for the electomagnatic and the acoustic systems, which finds broad engineering, industrial and biomedical applications.     

基于均分配焦椭流线法的LED匀光管菲涅尔反射器设计

基于边光原理和椭流线理论提出了均分配焦椭流线的非成像光学设计方法,通过对LED光源的能量均分、椭流线虚实焦点的配对和光学仿真优化三个规范步骤实现了应用于LED匀光管均匀配光的菲涅尔反射器的光学设计.分析了光源、反射器和投射目标面三者之间的复杂关系,为LED照明设计的优化提供了方便.仿真结果表明,LED匀光管管壁照度的均匀度超过0.93,有效降低了LED光源的眩光性.     

基于相移偏折法的高反射表面面形测量技术

利用单相机所采集的图像实现了对光滑高反射表面面形的直接检测.首先利用相机获取参考平面在标准平面镜中的镜像,然后通过参考平面上的点与归一化成像平面上图像点之间的密集折返对应关系,求得待测镜面的深度距离,从而实现对高反射表面面形的测量.通过光线追迹将该测量过程转化为求解物空间中关于两对应光线束之间的相交问题.以相位为载体获取面形梯度分布,求得该表面的法向量场,并求解相应的反射光线束.通过光线追迹对该光线束与相应入射光线束求“交点”检测高反射表面.对标准平面镜进行实验检测,测量得到的面形平面度为0.19 mm.采用传统方法与本文所提方法对汽车后视镜进行检测,所得检测结果对应点之间的平均距离为0.15 mm,验证了本文方法检测镜面面形的有效性.