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一种高效的高级照明自由曲面设计方法

2022-10-12 17:01| 发布者: 光执事| 查看: 963| 评论: 0

摘要: 现代照明和激光技术依赖于自由定制的光学系统。Optik的一项预先验证研究提供了一种有效且简化的光学设计方法来克服挑战。

现代照明和激光技术依赖于自由定制的光学系统。Optik的一项预先验证研究提供了一种有效且简化的光学设计方法来克服挑战。


研究:通过最小二乘法和表面优化实现照明和激光整形的自由光学设计方法。

图片来源:Andrey Armyagov/shutterstock . com


研究人员将自由曲面优化功能与光线映射最小二乘计算结合到商业光学设计软件中。通过修改内置的优质函数降低了自由形式照明和激光束整形设计的复杂性。


通过使用三个定制的辐照度分布设计实例,展示了这种技术的可行性,也证明了自由光学设计方法的有效性、简单性和适应性,可用于各种设置。


高级照明中自由曲面裁剪的重要性

现代光定制光学用于照明和激光系统技术。

光定制光学器件有效地将光分布和成形为均匀的强度分布,用于照明应用,例如LED照明、汽车照明或街道照明。


礼帽光束是在激光技术(如材料加工或添加制造)中基于高斯强度分布设计的均匀分布。


激光整形可以提高激光加工技术的精度和能量效率。


现代激光和照明系统需要定制的自由曲面光学系统。照明应用的几何要求不同于圆形对称。定制的自由曲面光学器件的几何形状也受到限制。


旋转对称的激光整形器光学器件是普遍的。然而,新的激光制造形式的发展和矫正实验性椭圆高斯光束的要求促进了定制自由曲面光学的发展。


定制自由曲面光学的潜在优势

折射型和反射型自由曲面光学器件在光定制技术中非常突出,因为它们具有高能效、对失调的低灵敏度、低波长依赖性和低输入源化。


与衍射、孔径和光束积分器等对应技术相比,定制的自由光学器件更容易制造。随着自由曲面光学器件的测量和制造能力的快速发展,将这种定制的自由曲面光学器件集成到现有的照明和激光技术中已经变得更加实用。


由于这些特征,定制的自由形式光学器件对于许多应用来说是合适且有吸引力的解决方案。


定制自由曲面光学设计方法的局限性

有许多方法可以设计定制的自由曲面光学器件。这些方法可以分为两大类。在确定自由曲面的第一种方法中,求解Monge-Ampere (MA)型方程。


使用这些方法开发的自由光学器件获得的辐照度和几何形状展示了最佳的标称性能。在解决MA问题之后,构建自由形式的辐照度分布。


这些方法在应用于照明和激光束整形时具有挑战性,因为解决方案依赖于复杂的计算。大多数涉及依赖于自由光学表面的数量和辐照度分布的推导。MA解决方案展示了最少的设计,没有明显的计划或研究。


第二种方法是使用局部优化技术找到最佳自由光学表面,以将光线转向目标点的集合。基于表面优化的方法计算光线映射函数,以通过价值函数指导优化算法来建立目标放置。


这些方法生产定制的自由曲面光学器件,在照明和激光束整形应用中具有出色的内置性能。然而,由于使用的光线映射生成器很少,这些方法仅与具有旋转对称几何形状和平滑分布的解决方案相关联。


定制自由曲面光学系统创新设计策略的发展

照明和激光技术领域的专业自由光学定制解决方案的有限可用性,阻碍了大型技术团体获得实用、高效和可靠的设计方法。将基于表面优化的方法的多功能性和适用性与类似Monge-Ampere方法的弹性和有效性结合起来以获得更广泛的可用性是至关重要的。


Madrid-Sánchez等人提出了设计策略,通过(商业)光学设计软件中内置的表面优化算法,扩展为照明和激光束整形应用中的实际用途而定制的自由曲面光学器件。研究人员建议使用MA方法中使用的最小二乘优化算法来计算自由曲面。


研究成果

提出了一种定制自由曲面光学系统的有效设计策略。该设计是使用自由曲面优化和最佳质量运输(OMT)算法的组合开发的。 这种策略突出了构建具有高效率和最小均匀性缺陷的照明和激光束整形光学器件的可能性。


研究人员创建了三个定制的自由形式光学系统,使用高度可变的源和波前、目标分布和光学环境展示了设计方法的适应性。


大多数直接自由形式的定制程序实施起来困难且耗时。相比之下,通过将由最小平方Monge-Ampère算法产生的映射函数与内置于(商业)光学设计软件中的优化方法相结合,可以简化自由曲面光学系统的设计。


该优化技术由基于映射函数的价值函数指导,该价值函数还允许引入物理和公差限制,以促进完善定制光学器件的设计。

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