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文章來源：Bäuerle A, Bruneton A, Wester R, et al. Algorithm for irradiance tailoring using multiple freeform optical surfaces[J]. Optics express, 2012, 20(13): 14477-14485. _v{,vLH
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主要內(nèi)容：本文基于最優(yōu)化質(zhì)量傳遞（optimal mass transport）多自由曲面光學(xué)的設(shè)計算法，結(jié)合照明設(shè)計軟件FRED模擬了洗墻燈實例。使用該算法，可直接調(diào)整多面光學(xué)系統(tǒng)（在本文中，我們用了雙邊自由曲面）獲得了近似于預(yù)先確定照度分布，而同時可捕獲從光源發(fā)出的大部分光線。增加多曲面自由度可用來減小菲涅爾損失，包含加工上的約束以及減小零件尺寸。 #Z;ziM:
Axel Bauerle, 1, 2 Adrien Bruneton, 1∗ Rolf Wester, 2 HK) $ls Jochen Stollenwerk, 1, 2 and Peter Loosen1, 2 I~\j%zD 1Chair for the Technology of Optical Systems, RWTH Aachen University, 52056 Aachen, .\= GfF' Germany g RIRc4p 2Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT, Steinbachstr. 15, 52074 Aachen, Germany IzF7W?k ;X<#y2` 摘要 Ck8`$x& t
h@=H7oV7k 自由曲面透鏡和反射鏡的設(shè)計能夠獲得非徑向?qū)ΨQ的照度分布，且同時保持光學(xué)系統(tǒng)的緊湊性。對于點(diǎn)狀光源來說，比如LED，為了增加發(fā)光效率往往需要捕獲一個寬角度的光源。這樣往往導(dǎo)致的結(jié)果是產(chǎn)生強(qiáng)彎曲光學(xué)元件，需要兩個透鏡面作用于總的光的折射，從而最小化菲涅爾損失。在本篇文章中，我們報道了一個基于最優(yōu)化質(zhì)量傳遞（optimal mass transport）多自由曲面光學(xué)的設(shè)計算法，并結(jié)合光學(xué)工程仿真軟件FRED對一般照明問題給出了應(yīng)用實例。 q{@j$fMt0
+8 Yt91 1.前言 zuUf:%k}I
"5C)gxI^ 在照明應(yīng)用中，透鏡和反射鏡可以以一種預(yù)先確定的方式上分配光線，市場上對這種透鏡及反射鏡的需求越來越多。為了獲得常用的光分布，光學(xué)設(shè)計中自由度數(shù)量必須高于傳統(tǒng)的光學(xué)元件，這就引入了自由曲面光學(xué)的概念，對此有眾多設(shè)計算法提出[1-5]。折射式光學(xué)元件(透鏡)在材料-空氣界面會遇到菲涅爾反射，控制其精準(zhǔn)的路徑來避免損失難度較大。因為隨著光線角度傾斜菲涅爾反射在增加，因此理想情況是使用幾個自由曲面來增加系統(tǒng)的光學(xué)效率，在這種情況下，一個單透鏡面足以調(diào)整照度分布。 LbOjKM^-
4SCb9| /Q 到目前為止文獻(xiàn)中發(fā)布的設(shè)計算法，只有Minano、Benıtez[5]提出的SMS3D方法可以直接裁剪多平滑表面，且同時獲得預(yù)定的照度分布，甚至在一定程度上可把擴(kuò)展光源考慮進(jìn)去。然而，據(jù)作者所知，SMS3D算法只是在他們團(tuán)隊內(nèi)部使用。對于點(diǎn)光源的情況，Ries 和Muschaweck[2]得出了一組偏微分方程來描述單個光學(xué)面，但一般對于多光學(xué)表面目前還沒有報道。 O|m-Uz"+
z=<x.F 在本文中，基于傳輸理論的公式[6]，對兩個自由曲面和一個點(diǎn)光源發(fā)射器的照度調(diào)整問題，我們提出了靈活的近似解算法。此外，我們利用FRED軟件演示了對于一般照明設(shè)計任務(wù)的可行性。 wvvMes X<L
} R !-*Wk 2.光線映射：有關(guān)光學(xué)設(shè)計的傳輸理論 )[yM4QFl
?1?D[7$ 在一般的公式中，質(zhì)量傳輸理論講述了最優(yōu)路徑的計算，此計算允許從初始質(zhì)量分布到目標(biāo)質(zhì)量分布的連續(xù)傳遞。就光學(xué)而言，光通量扮演了重要的角色，投射光源描述為在2維空間 上光通量密度 (圖1)。類似的，目標(biāo)空間 上的光通量密度為 。為了清楚起見，在3維空間中，假定 平行于2維平面，光通量密度 和 在各自的局部笛卡爾坐標(biāo)（x,y）下被參數(shù)化（圖1）。 !^cQ PX2< 圖1.映射計算圖，點(diǎn)光源投射到平面  及目標(biāo)照度投射到  ，自由曲面位置在 和 之間。 光學(xué)系統(tǒng)（自由曲面）的設(shè)計任務(wù)相當(dāng)于發(fā)現(xiàn)一個微分同胚映射（光線映射），以便于照度分布轉(zhuǎn)換匹配目標(biāo)分布： $]|fjB#D  （1） |
