Теория и методы проектирования оптических систем

Теория и методы
проектирования оптических
систем
Электронная презентация
Лекция № 6
Компьютерное моделирование оптических
систем с различными источниками
излучения
Видимое излучение
Источники света
- Солнце
- лампы накаливания
- галогенные, металлогагогеновые лампы
- светодиоды
- лазеры
и др.
Модели источников
Ламбертовский точечный излучатель:
сила света I
= I0 = const – постоянна во всех направлениях
Поток : Ф = IΩ= 4πIsin2(σ/2),
2σ – плоский угол при вершине конуса
При излучении в пределах полной сферы поток Ф
Плоский ламбертовский источник
Сила света изменяется по закону:
I = I0cosθ
Поток: Ф = IΩ= πIsin2(σ)
= 4πI
Особенности моделирования
При
моделировании
изображающих
систем
как
правило
ограничиваются простыми моделями поскольку в основном нужно
оценивать равномерность освещенности или ее снижение
При моделировании осветительных систем чем точнее модель, тем
ближе результат к реальной ситуации. В этом случае ищут компромисс:
чем точнее модель, тем больше времени занимает расчет;
при необходимости быстрых оценочных расчетов лучше использовать
более простые, приближенные модели
Особенности моделирования
Для расчета и моделирования систем, не предназначенных для
формирования изображения, больше подходит так называемый режим
непоследовательного расчета хода луча.
В отличие от изображающих систем, где луч встречает поверхности в
заранее заданном порядке (соответственно, первую поверхность луч
проходит первой, вторую заданную поверхность – второй и т.д.), в режиме
непоследовательного расчета хода луча (Non- Sequential Mode) лучи
проходят поверхность в том порядке, как они их действительно встречают.
Например, некоторый луч может пройти мимо первой поверхности, затем
сразу столкнуться с четвертой, а потом отразиться и вернуться ко второй.
Расчет в таком режиме позволяет сформировать действительное
распределение
освещенности,
отследить
ход
лучей,
оценить
светораспределение, постороннюю засветку, блики и т.п
Моделирование источников света
Моделирование источников света необходимо:
- Для расчета освещенности
- Для моделирования работы осветительных систем
- Для расчетов новых осветительных систем с заданными характеристиками
Во многих программах существует простейшие встроенные модели:
Точечный источник,
излучение в пределах
заданного угла
Плоский источник (прямоугольник или эллипс),
излучающий как ламбертовский
Моделирование источников света
Нить накаливания:
Светящаяся трубка
Моделирование источников света
Светодиод
1 вариант: Создается из
отдельных объектов
(светящаяся площадка,
электроды и т.п.)
2 вариант: 3D механическая модель и файл ,
содержащий информацию о лучах
Информация о лучах или распределении
силы света источника:
- dat файл (информация о лучах)
- ies файл (информация о силе света)
- и др.
Пример моделирования нити
накаливания в программе Zemax
Описание нити накаливания
Результат расчета освещенности
Расчет освещенности на приемнике
Моделирование нити
накаливания в программе Zemax
линза
Добавление линзы (критическое освещение)
Описание оптической системы
освещаемая
плоскость
нить
накала
-s
s’
Результат расчета освещенности при разном числе витков нити
Моделирование люминесцентной
лампы
Добавление цилиндрического отражателя
Результаты расчета освещенности
Моделирование светодиода
Результаты расчета освещенности
Кривая силы света
Моделирование светодиода
Добавление линзы с эффектом ПВО
Моделирование источников
излучения: лазер
Моделирование лазерного пучка с оптической системой
1 – выходной торец лазера
2 – лазерный пучок
3 – входной зрачок оптической системы
Моделирование источников
излучения
Система для концентрации лазерного излучения
Изображение при равномерном
распределении на зрачке
Сечения ФРТ при равномерном и
гауссовом распределении на зрачке
Изображение при гауссовом
распределении на зрачке
Заключение
1. Для некоторых целей при моделировании можно пользоваться
простыми моделями источников света
2. Точное, приближенное к реальности моделирование источников
света невозможно без современных программ расчета оптики и
специализированных программ для моделирования световых
эффектов
3. Расчет в этом случае ведется в режиме так называемого
непоследовательного хода луча, когда луч проходит от
поверхности к поверхности в действительном порядке, который
может отличаться от порядка записи объектов в системе