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,     

多曲面反射体的计算机辅助设计及优化

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统的设计,反算出控制顶点.给出了空间任意一条入射光线与反射器区块的交点及其曲面法线向量的求法,为了提高光路追迹的效率,针对多曲面反射体给出了一种快速判断相交区块的算法.探讨了用阻尼最小二乘法对B样条曲面反射器进行优化设计的方法,通过优化运算修正控制顶点Z轴坐标,使得曲面在使用扩展光源时光形分布尽可能满足设计要求.     

3片独立自由曲面式LED汽车近光灯光学设计

为了使车辆驾驶员在夜间能够得到充足的照明,并且避免对面会车司机眩目,设计了具有明暗截止线的近光系统。根据GB25991 2010汽车用LED前照灯配光标准,尝试使用大功率白光LED和结构简单、光学利用率高的自由曲面反射镜（FFR)来实现前照近光灯的设计。以非成像光学为理论基础,建立了LED光源出射光角度和照明面上坐标的对应关系,结合折反射定律计算自由曲面上点的坐标。合理划分基础面,并优化调整各子面的面型数据,实现配光要求。采用3颗LED共同实现近光功能,每颗LED均有各自独立的光学系统。测试结果表明:设计的光学系统效率达到54%,且近光截止线清晰,满足标准对各测试点照度的要求。     

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     

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。     

实现近场均匀照明的双自由曲面大角度透镜设计

针对LED单自由曲面透镜近场大角度照明均匀性不足和出光效率低等问题,基于边缘光线理论和网格划分法,设计了内曲面为椭圆型,外曲面为自由曲面的LED双自由曲面大角度透镜.透镜内曲面对LED入射光线进行发散,外曲面对出射光线方向进行控制,实现大角度均匀照明,并减少全反射损失,提高出光效率.采用扩展光源文件对透镜模型进行光学仿真,并利用反馈优化法对外曲面进行优化,提高近场的照度均匀性.研究表明:在相同近场距离条件下,出光角度为143°、151.8°时,单自由曲面透镜照度均匀性为0.55和0.40,出光效率为92.0%和80%,而所设计的双自由曲面透镜照度均匀性为0.84和0.85,出光效率为98.8%和95.0%,照明效果明显改善.     

采用小功率LED的汽车前照灯光学设计

为克服普通灯泡汽车前照灯耗能高、寿命短和现有LED(发光二级管,Light-Emitting Diodes)前照灯成本高的缺点,提出了一套采用小功率LED的汽车前照灯光学设计方案。采用48颗小功率LED,使得每颗LED照亮配光屏上的一块矩形区域。对单颗LED设计自由曲面透镜,光线经透镜出射形成一个矩形光斑。点亮不同的LED以及调整车灯的照射方向可以满足照明要求。模拟结果符合国家标准要求。采用小功率LED比普通灯泡寿命长,比大功率LED前照灯成本低,可靠性强,并且还能部分实现自适应前照灯的功能。     

用于固态照明的自由曲面微透镜设计

针对LED照明应用中,现有二次光学设计过程对LED初始光强空间角分布的依赖性,讨论了用于LED照明的自由曲面微透镜器件的设计方法.根据斯涅尔定律和边缘光学理论,研究了自由曲面微透镜的面形构造算法,建立了自由曲面微透镜器件的光学模型,并用光学模拟软件对其照明性能进行了模拟实验.结果显示,该微透镜器件能够在目标面上获得满足预期要求的照度分布,照明均匀度在92%以上,且其结构有效解决了LED初始光强空间角分布复杂化的现状和现有二次光学设计对光源初始光强空间角分布依赖性的矛盾.     

实现LED照明的自由曲面透镜设计

为在特定平面上实现所需照明,从而满足各类LED照明系统的要求,通过透镜的第一面球面和第二面自由曲面的两次折射实现LED的配光设计.根据给出的LED辐射特性和所需实现的照明面上的能量分布,并预先定义透镜球面的结构参量,可得到一组一阶偏微分方程,数值差分求解直接求得透镜的自由曲面.光源采用发光面积1×1 mm2朗伯体发光的LED,视角180°,由自由曲面透镜得到的各种形状照明面的模拟均匀性皆接近90%,且能量利用率高于98%,编程解一阶偏微分方程组的计算时间少于20 s.     

亮度均匀的LED路灯透镜设计与研究

针对路灯照明系统,设计了一种照度均匀和亮度均匀的LED路灯透镜。通过分析LED光源角度分布与目标面照度的关系引用了一种简化的线性校正函数。不同的道路亮度系数,选用合适的K值,设计基于自由曲面的亮度均匀路灯透镜。利用光学软件进行仿真,结果显示中间向边缘逐渐减弱的渐变照度分布有利于路灯照明亮度的均匀。通过注塑成型工艺加工了该透镜,并制作了一盏路灯进行配光和照度的测试。结果表明该透镜设计满足渐变照度分布的矩形光斑照明。采用Dialux软件对路灯照明效果进行评估,显示该路灯透镜设计,横向和纵向亮度均匀性达到0．6以上,满足道路照明的亮度均匀性要求。     

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.     

Design of optical components for a light emitting diode zoom illumination system

In this article, we report an optical design for a light emitting diode that can achieve high illumination quality using two hyperbolic reflectors. The relative movements of the reflectors and the light source produce a zoom function that can change the illumination beam from convergence to divergence. This study uses optical software ZEMAX for system simulation, and optimization was performed to select reflector parameters with the objectives of both improving floodlight uniformity and spotlight efficiency. Finally, experiments were conducted to verify the validity of the design, and the results corresponded well to the zoom illumination simulations.     

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。     

基于重心算法的结构光投影技术研究及应用

本文提出了一高精度查找非相干结构光中心位置的重心算法.根据此算法,对台阶投影法和狭缝投影法两种非相干结构光的投影技术进行了探讨,并对两种投影方法的精度进行了检测与分析.经检测证明了台阶投影法具有精度高和适合于非对称、不规则旋转体的形状测量等优点,特点是它解决了传统的结构光法中难以测量的大梯度面形的测量问题.本文利用重心算法和台阶投影法,对面形不规则的柴油机活塞头及流道进行了全三维形貌测量,给出了测量的结果,证明了该重心算法和投影方法的可靠性.     

独立自由曲面LED汽车前雾灯的光学设计

为了使车辆驾驶员在雾、雪、雨或者尘埃等不同的恶劣气象条件下能够得到充分照明, 且避免造成对方会车司机炫目, 设计了具有明暗截止线的前雾灯系统。基于非成像光学理论, 采用照度优化设计法, 运用数值计算求解出自由曲面反射镜(FFR)各个点坐标的坐标值。合理划分基础面, 并调整各子块的扩散角度, 实现配光要求。通过蒙特卡洛模拟法进行追迹光线, 测试结果表明:配光效果满足机动车前雾灯配光性能(GB4660-2016)对各测试点的照度要求, 且明暗截止线清晰, 体积小, 边缘区域也有较高光能, 光线利用率达到52.7%。     

基于有延展反射面的挡光板的多曲面前照灯的光学设计

挡光板是近代投射式汽车前照灯用于调节近光灯配光性能的重要部件。采用聚焦法调整挡光板拐点的位置可以有效地抑制投射式前照灯近光照射时光型截止线上的色差和梯度问题,具有提高驾驶员视觉舒适度和行车安全指标的功能。采用一种基于有延展反射面的挡光板的多曲面LED前照灯的光学设计,使用NX10.0建立结构模型,LucidShape软件进行仿真,配光屏幕最大照度值为51.9 lx。研究基于有延展反射面的挡光板的光学设计与常规挡光板的光学设计的配光差异,以及两者在吉利汽车2017年提出的近光路照标准下两者数据对比情况。结果表明:具有延展反射面的挡光板可以有效提高配光Ⅲ区各点的基础数值,进一步提高行车时道路前方40 m～50 m处的视觉亮度,利于辨清道路前方及行人情况。     

基于曲面分割的三维点云物体识别

提出了一种基于局部描述符的三维点云物体识别算法.算法首先得到点云的邻域、法线矢量等相关信息,通过邻域进一步得到形状索引值.特征点的提取以形状索引值为依据,以每个特征点为基点对曲面根据欧式距离和矢量夹角分割.分割的曲面片进行等间距划分为多个欧氏距离同心圆,以特征点切平面为基平面投影,并进行等角度抽样,通过抽样点相对特征点的法线矢量及测地距离变化曲线,建立曲面片的二维描述,从而把三维识别转化为二维.根据算法建立模型数据库,给定一个物体,通过和模型数据库中的曲面描述进行比对,得到潜在的识别结果,再通过迭代最近点算法,得到最终的识别结果.最后,通过大量具体实验验证了算法的有效性,并给出了算法的计算复杂度及耗时对比分析,说明了算法的高效性.     

新型矿灯二次配光系统的仿真研究

将光纤照明技术运用到矿灯领域中,需要根据光纤照明的特点设计相应的二次配光系统,以满足实际配光的需求。利用光学仿真软件TracePro开展了对新型光纤LED矿灯系统的二次配光问题的仿真研究。配光器件主要采用单个反光腔、透镜及其组合。从反光腔形状、深度和口径、透镜类型和尺寸等方面入手,探讨了各个因素对配光效率、光斑大小、光照均匀度的影响。通过对仿真结果的比较和分析发现,反光腔主要影响配光效率,而透镜主要影响光照均匀度和光斑大小。得到了合适的新型光纤-矿灯的二次配光系统,即锥形腔配合菲涅尔透镜。结果表明,该组合具有配光效率高、光照度均匀、光斑大小适中、实际尺寸小、方便井下作业等优点。