автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Методы, модели и инструментальные средства проектирования неизображающих оптических систем с применением поверхностей типа "freeform"

На правах рукописи

Летуновская Марина Валерьевна

МЕТОДЫ, МОДЕЛИ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕИЗОБРАЖАЮЩИХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТИПА "FREEFORM"

Специальность 05.11.07 — Оптические и оптико-

электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005559258 Санкт-Петербург - 2014

005559258

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном

исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики

Научный доктор технических наук, профессор

руководитель: Васильев Владимир Николаевич

Официальные Бездидько Сергей Николаевич

1енты: доктор технических наук, профессор

(ОАО «Красногорский завод им. С.А.Зверева») зам. дир. НТП по науке

Смирнов Валентин Николаевич

кандидат технических наук ОАО ГОИ им. С.И. Вавилова, старший научный сотрудник

Ведущая ООО «Научно-производственное

организация: предприятие волокно-оптического и

лазерного оборудования»

Защита состоится 24 декабря 2014 г. в 1530 часов на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 199000, Санкт-Петербург, пер. Гривцова д. 14., ауд.314а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49 и на сайте fppo.ifmo.ru .

Автореферат разослан « » ноября 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., доцент В.М. Красавцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

В современном мире все более и более актуальными становятся исследования в области фотоники. Появляются новые «ответвления» направления исследований. К числу таких направлений можно отнести: исследования в области осветительных систем, сенсоров, фотогальванических концентраторов. Особый статус необходимости получили неизображающие оптические системы с использованием "freeform" поверхностей, которые имеют широкий спектр применения во многих отраслях промышленности.

Например, подобные поверхности применяются

• В изображающих оптических системах: гибридных объективах

• В неизображающих оптических системах: светофоры, фонари,

осветительные системы, оптические приборы медицинской техники,

фотогальванические концентраторы

Применение "freeform" поверхностей позволяет получать системы с новым качеством с уменьшенным количеством оптических компонентов, обеспечивающих высокие потребительские свойства: малые габариты, вес, высокое оптическое пропускание.

Такие поверхности, очевидно, требуют новых средств проектирования и моделирования.

Активная разработка таких систем началась в шестидесятые годы двадцатого века, в то время как многие математические методы, которые впоследствии легли в их основу - были разработаны в девятнадцатом веке Декартом, Френелем и др. Таким образом в проектировании неизображающих систем сплетаются гениальные теории прошлого с современными методами проектирования и достижениями высоких технологий изготовления сложнейших элементов современной фотоники.

Вопросы теории и практики расчета неизображающеи оптики рассмотрены в трудах R. Winston, W. Welford. W. Cassarly, P. Benitoz, R. Minano, B.K. Баранова, С. В. Кудаева, М.А. Моисеева, JI.JI. Досколовича и др.

Поэтому разработка методов моделирования и алгоритмов проектирования оптических систем с применением "freeform" поверхностей и других инструментальных средств для их расчета является актуальной" задачей" исследования.

Существует множество методов расчета сложных изображающих и неизображащих оптических систем, которые разрабатывались на протяжении многих лет. Однако, до сих пор не существует единой методики создания оптических систем на основе поверхностей "freeform" и эта тема продолжает активно развиваться о чем можно судить по возрастающему количеству публикаций и многочисленным конференциям, посвященным этой тематике.

Именно поэтому тема настоящего исследования: методы, модели и инструментальные средства проектирования неизображающих оптических систем с применением поверхностей типа 'ТгееАэгт" является действительно актуальной.

Также следует отметить, что в настоящий момент большинство последних публикаций по теме неизображающей оптики выпущены зарубежом, поэтому считаем, что перенос, осмысление и развитие передового зарубежного опыта должно быть полезно отечественной науке. Цель

Целью данной работы является разработка методов моделирования и инструментальных средств проектирования неизображающих оптических систем с применением поверхностей типа 'Тгееймтп" Задачи

1. Анализ существующих методов проектирования неизображающих оптических систем с применением "ГгееАогт" поверхностей

2. Анализ методов математического моделирования оптических систем с применением "&еей>гт" поверхностей

3. Анализ существующих алгоритмов моделирования оптических систем с применением "&ееАэгт" поверхностей

4. Анализ условий создания оптической системы с применением "&ееСогт" поверхностей.

5. Разработка теории синтеза неизображающих оптических систем и формализация процесса проектирования

6. Разработка рекомендаций по выбору метода расчета

7. Разработка осветительной оптической системы для хирургической комнаты, с применением данной методики.

Научная новизна

1. Формализован процесс проектирования неизображающих оптических систем применением 'Тгеейнта" поверхностей за счет выбора ее стартовой точки с целью последующей автоматизации для увеличения скорости проектирования.

2. Создана теория синтеза неизображающих оптических систем с использованием 'ТгееАэгт" поверхностей.

3. Создан метод и алгоритм проектирования неизображающих оптических систем с применением 'ЧтееАэпп" на основе теории синтеза Основные результаты, выносимые на защиту

1. Формализация процесса проектирования неизображающих оптических систем за счет выбора ее стартовой точки.

2. Теория синтеза неизображающих оптических систем.

3. Метод и алгоритм проектирования неизображающих оптических систем с применением 'ТгееГопп" на основе теории синтеза

4. Вариант проектирования и расчета оптической системы для хирургической комнаты на основе разработанной методики. Прикладная ценность работы

1. Теория синтеза применяется при проектирования широкого класса неизображающих оптических систем

2. Разработаные метод и алгоритм используются для проектирования неизображающих оптических систем с поверхностями 'Тгеейшп".

3. Получены высокие оптические характеристики экспериментальной установки осветительной системы для хирургической комнаты.

Результаты исследования были применены на практике лаборатории АПОИ и ЭС, что позволило развивать новое направление работы лаборатории, имеющее большое прикладное значение как в России там и за ее пределами.

Реализация результатов работы

Основные результаты работы были реализованы в проектах лаборатории АПОИ и ЭС Университета ИТМО: 11.519.11.6014 "Исследования неизображающей энергосберегающей осветительной системы для опрационной комнаты, основанной на СИД, совместно с Корейским Политехническим Университетом, Республика Корея", контракт № 213293 "Методика и расчет оптимального варианта оптической системы для огней задних сгруппированных", контракт № 212236 "Методика расчета и разработка дополнительной линзы для светофора для РЖД"

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована научная проблема неизображающей оптики, цель и задачи исследования. Перечислены основные результаты и положения диссертационной работы, отмечена научная новизна и практическая ценность результатов и положений, приведены сведения об апробации работы.

В первой главе рассмотрены основные понятия, методы и инструментальные средства неизображающих оптических систем. Рассмотрены структурные элементы оптической схемы: приемники, источники; приводится понятие неизображающей оптической систем; метода, модели и инструментального средства; описываются основные методы проектирования неизображающих оптических систем.

Важнейшими понятиями в неизображающей оптике являются понятия источника и приемника. Источником света может служить как солнечное излучение, применительно для солнечных концентраторов; так и различные типы источников, отличающихся по своей форме и свойствам (точечные, протяженные, пространственные).

В главе описываются также приёмники света, устройства, изменение состояния которых под действием потока оптического излучения служит для обнаружения этого излучения, его измерения, а также для фиксации и анализа оптических свойств излучающих объектов.

Изображающие оптические системы состоят из трех компонентов-объект, оптика и сформированное изображение. Объект представляется

набором точек, которые излучают свет во всех направлениях. Свет выходит из каждой точки объекта, проходит через оптическую систему и образует изображение в точке изображения.

Неизображающая оптическая система вместо объекта имеет источник света, а вместо изображения - приемник. Вместо изображения источника света оптика воспроизводит освещенность на приемнике.

В настоящее время неизображающая оптика решает следующие три задачи:

1. Проектирования концентраторов света

2. Проектирование осветительных систем

3. Проектирование телекоммуникационных систем

Существует множество вариантов моделирования неизображающей оптической системы, однако относительно оптической системы удобнее использовать математическое и компьютерное моделирование.

К математическим моделям неизображающей оптической системы можно отнести:

• Модели геометрической оптики. Геометрическая оптика является основой моделирования прохождения светового луча. Оптический анализ используется для расчета траектории движения лучей.

• Модели волновой оптики (скалярная и векторная волновая теория) применяются тогда, когда в оптической системе присутствуют интерференционные фильтры или поляризация.

в

Л

Рисунок 1 Схема неизображающей оптической системы

• Квантовая оптика

Геометрическая оптика описывает модели неизображающей оптической системы посредством уравнений эйконала, принципа Ферма, системы Гамильтона. Каждое из этих уравнений логически связаны и могут быть выведено одно из другого.

Принцип Ферма показывает постоянство длины оптического пути луча; другими словами, любое малое изменение этого пути не приводит в первом порядке к изменению времени прохождения траектории. Математически принцип Ферма имеет следующее выражение (1):

¿^/3(Х1,х2,Х3)£//| = 0 (1)

где (х^л) - картезианские координаты точки

~ показатель преломления материала в точке (х^л);

сН - дифференциал оптического пути.

Вторая важнейшая геометрическая составляющая оптической модели -формула Гамильтона (2):

-Н Ф,. = Н„

(Уг р, с!т '

бх2 -н„ ф, = Н1

2 С/г

—н Фэ

С/т Р3 С/г

В формуле представлены 6 дифференциальных уравнений с переменными Х\ГХ2^3,Р1,Р2,Р1, решением этих уравнений являются кривые в шестимерном пространстве, описанные функциями х-, = х,(/), р, =/?,(/),¡=1,2,3.

В случае оптической системы с изотропным распределением показателя преломления функция Гамильтона может быть записана следующим образом:

н - (л2(х,,х2,х3)—р,2 -р1 -Рз )/2 (3)

Первые три функции х, =х,(г)> 1-1,2,3 описывают траекторию луча в параметрической форме, р\,рг,рг -являются сопряженными переменными Х1гХ2уХз соответственно.

Несмотря на разность задач двух типов оптических систем (изображающих и неизображающих), к ним применимы одинаковые подходы в проектировании.

В данной работе рассматриваются основные методы проектирования неизображающих оптических систем с 'Тгеейитп" поверхностями, а также предлагается методика создания систем данного типа.

Таблица 1 Основные методы проектирования неизображающих

оптических систем

Название Описание

String -1960-метод струны Данный метод был разработан в 60 годы и наиболее подходит к проектированию солнечных концентраторов

Flow-line-1970- метод линии потока Был разработан путем обобщения метода струны

Taylored Edge-ray method -1980 - встроенный метод краевого луча Другой обобщенный метод появился в 80 годы,

Poisson bracket method- 1980-метод скобок Пуассона Метод позволил проектировать среду с переменным показателем преломления для идеальных систем в трехмерном пространстве

Lorentz geometry method- 1990- Геометрический метод Лоренца

Point-source differential equation methods 1960 + 1990- методы дифференциальных уравнений для точечного источника Данный метод применяется для расчета поверхностей 'ТгееАэгт"

Numerical optimization methods - 1990- числовые методы оптимизации Данный метод применяется для расчета поверхностей "&еей>гт"

Simulteneous multiple surface (SMS) method 1990- метод одновременного расчета по многим поверхностям Данный метод применяется для расчета поверхностей "ГгееАэгт"

Последние 3 метода применяются для проектирования неизображающих систем с поверхностями «ГгееАэгт» и представляют особый интерес. 'Тгеей>гт" - многопараметрических асферических поверхностей общего вида свободно расположенных в пространстве.

Вторая глава диссертации посвящена разработке методики проектирования неизображающих оптических систем с применением "йгеейнт" поверхностей.

Методика проектирования неизображающих оптических систем заключается в решении следующих задач:

• Классификация оптической системы неизображающей оптики по техническим характеристикам;

• Приведение технических характеристик к объединенному критерию, ранжирование;

• Структурный синтез;

• Параметрический синтез;

• Выбор метода проектирования;

• Оптимизация, включая выбор (конструирование) оценочной функции;

• Расчет допусков в случае принятия решения о пригодности выбранного варианта оптической схемы;

• Оформление рабочих чертежей.

Классификация оптических систем является основой для понимания структурного синтеза. А сама процедура структурного синтеза формализует переход от требований технического задания к выбору элементарной базы посредством набора эвристических правил

Проектирование неизображающих оптических систем начинается с анализа технического задания (ТЗ). После анализа ТЗ заданная система причисляется к определенному классу, в зависимости от расположения источника и приемника, см. Таблицу 2, при этом

0- Соответствует бесконечно удаленному приемнику или источнику,

1- Соответствует источнику или приемнику, находящемуся на конечном расстоянии.

Таблица 2 Классы неизображающих оптических систем по расположению

источника и приемника

Условное обозначение класса Наименование класса

10 Осветительная система

01 Концентратор

11 Телекоммуникационные ОС

В настоящей работе основное внимание уделяется рассмотрению самого распространенного класса неизображающих оптических систем -осветительных. Принцип построения подобных систем одинаков, отличаются системы друг от друга формой компонентов «й-еейэпп», которые применяются для достижения заданных характеристик системы.

Для разработки методики проектирования неизображающих оптических систем и формализации процесса поиска стартовой точки, вначале необходимо систематизировать эти системы по техническим характеристикам. В таблице 2

представлены основные технические характеристики неизображающей осветительной системы.

Таблица 3. Наименование и единицы измерения основных технических

характеристик осветительной системы

Условное обозначение Наименование Единицы измерения

Е Освещенность Люкс

Тс Цветовая температура К

Яа Индекс воспроизведения Безразмерная

цвета величина

I Сила света кд

Ь Яркость Кд/м2

Ф Световой поток лм

Для разработки методики проектирования неизображающих оптических систем целесообразнее перейти от общих характеристик осветительной системы к обобщенным. На рисунке 2 представлена классификация осветительных систем по обобщенным характеристикам.

Для анализа схемы осветительного устройства будем использовать классификацию по обобщенным характеристикам:

«0» — соответствует ОС с таким значением технической характеристики, для реализации которой достаточно самой простой оптической схемы;

«2» — соответствует ОС со значением технической характеристики осветителя, схема которого максимально сложна и имеет наибольшее количество элементов для достижения требуемых высоких значений технических характеристик;

«1» — характеризует ОС, которая занимает промежуточное положение по сложности реализации между «0» и «2» [1].

Кл лссвф мы цня ос вст иг елиьк с-псгем по обооацгиным ирдп'рпсгиам

Рисунок 2. Классификация неизображающей осветительной системы по обобщенным характеристикам

В диссертации подробно рассмотрена связь между обобщенными и техническими характеристиками осветительной системы.

Под структурным синтезом ОС понимают процедуру выбора типа, количества и взаимного расположения оптических элементов, составляющих ОС[1]

При проектировании неизображающей оптической системы для оценки сложности системы и принципов ее построения используется рассмотренная ранее классификация. Данная классификация позволяет вычислить индекс сложности системы для дальнейшего синтеза ее схемы.

Индекс сложности представим в виде суммы значений обобщенных технических характеристик конкретной неизображающей ОС, тогда:

Я = £(Е + Тс + Яа + I + Ь + Ф) (4)

Вычисление индекса сложности (4) является начальной и важнейшей характеристикой неизображающей оптической системы, и представляет собой . алгебраическую сумму чисел, представляющих собой обобщенные характеристики неизображающей системы.

Индекс сложности может изменяться в пределах 0-12, где «0» соответствует самой простой оптической схеме, а «12» — максимально сложной.

Представленная классификация описывает 3" = 729 классов осветительных систем.

На основе проанализированных оптических схем патентной информации и другой доступной научно-технической информации, можно представить следующую принципиальную схему расположения элементов неизображающей осветительной системы:

Обозначения элементов на схеме: В — Базовые, С — Коррекционные, Т — Светосильные, У — Широкоугольные.

в+т

С+У

Рисунок 3 Функциональный порядок расположения элементов неизображающих оптических систем (Структурный синтез неизображающей

ОС-обобщенная форма) Для формирования методики проектирования неизображающих отических систем рассмотрим основные типы применяемых поверхностей, классификацию поверхностей. Классификация была предложена Профессором Миньяно и профессором Бенитосом [2] и имеет тенденцию общепринятой.

Наибольшее распространение в оптике имеют следующие поверхности:

Я-преломляющая поверхность X - отражающая поверхность I - линза полного внутреннего отражения Поверхности, входящие в состав неизображающей оптической системы, могут располагаться различным образом относительно апертурной диафрагмы, источника света и приемника.

Процедура структурного синтеза заканчивается составлением так называемой формулой синтеза, определяющей количество, тип и взаимного расположение элементов в оптической системе, при этом типы поверхностей, формирующих эти элементы. Простейшим примером является:

ЯХ - сочетание преломляющей и отражающей поверхностей 11X1 - сочетание поверхностей - преломляющей, отражающей и поверхности полного внутреннего отражения ПВО.

Под параметрическим синтезом ОС понимают процедуру определения конструктивных параметров оптических элементов, входящих в ОС (радиусов, толщин, воздушных промежутков, марок оптических сред и т.д.), в необходимой степени удовлетворяющих габаритным и аберрационным требованиям, предъявляемым к ОС на каждом конкретном этапе разработки

В параметрическом синтезе неизображающей оптической системы участвуют-два основныех понятия:

• Параметры неизображающей оптической системы

• Технические характеристики неизображающей оптической системы

В таблице 4 представлены основные технические характеристики и параметры неизображающей оптической системы:

Таблица 4 Основные технические характеристики и параметры _ неизображающей оптической системы

Технические характеристики (получены из ТЗ на разработку) Параметры(определяются разработчиком при параметрическом синтезе стартовой точки)

Освещенность радиусы

Цветовая температура Расстояния между поверхностями

Индекс воспроизведения цвета Коэффициенты асферичности

Сила света Показатель преломления, коэффициент дисперсии

Яркость Координаты расположения поверхностей в пространстве

Световой поток Показатель преломления, коэффициент дисперсии

Стартовая точка, которую мы выбираем для решения задачи, связанной с требованиями технического задания, очевидно должна обладать необходимым

и достаточным количеством параметров.

В случае, если параметров недостаточно, нам не удастся удовлетворить требованиям ТЗ, приходится увеличивать число активных параметров, изменяя которые в процессе оптимизации, мы сможем получить требуемые технические характеристики.

Ниже в Таблице 5 приводятся возможные параметры для различных типов поверхностей, используемых при расчете осветительных систем:

Я-преломляющая поверхность, тогда М1 - линза с двумя преломляющими поверхностями;

X - отражающая поверхность, XX - зеркальная система из 2-х отражающих поверхностей;

I - поверхность полного внутреннего отражения (ПВО); ЯХ - сочетание преломляющей и отражающей поверхностей 11X1 - сочетание поверхностей - преломляющей, отражающей и поверхности полного внутреннего отражения ПВО

БР- повехность типа &ееАэгт (обозначение введено М.В. Летуновской)

Таблица 5 Определения количества параметров неизображающей

оптической системы

Параметры г й п У А 1 Ап N параметре в

Отраж ающая поверхность (X) сферическая + 1

асферическа я + + + 3*

Прело мляющая поверхность (Я) сферическая + + + + - - 4

асферическа я + + + + + 5*

РгееПэгт (Р^ + + + + + + 6+*

Где:

г-радиус, <1 - толщина,

п - показатель преломления среды, г) - коэффициент дисперсии Ап- коэффициент асферики

Из таблицы видно, что дальнейшее увеличение количества параметров в системе возможно за счет:

- добавления дополнительных оптических элементов;

- увеличения количества коэффициентов асферики за счет увеличения порядка ее уравнения;

- увеличения количества степеней свободы поверхностей 'ТгееГотта". Завершающим этапом методики является оптимизация.

Как и во многих других областях физики и инженерии, проблему получения требуемых характеристик устройств неизображающей оптики можно решить, используя общие многопараметрические методы оптимизации. Они основаны на определении оценочной функции и ее дальнейшей минимизации, т.е. минимальное ее значение говорит о том, что система приближается к какому-то оптимальному решению - это может быть как локальный, так и глобальный минимум. Искусство проектирования оптических систем при наличии современного программного обеспечения сводится к выбору ее стартовой точки и построению оценочной функции для ее оптимизации

В третьей главе рассмотрена апробация методики на примере проектирования осветительной системы для операционной комнаты со следующими заданными техническими характеристиками (см. Таблицу 6):

Таблица 6 Обобщенные технические характеристики осветительной системы

для операционной комнаты

Характеристика J Ф Е L Т 1 с Ra

Показатель 2 2 1 1 1 2

Где

J -Сила света Ф- Световой поток Е -Освещенность L- Яркость

Тс- Цветовая температура

Ra- Индекс воспроизведения цвета

Рассмотрим основные результаты, получившиеся с применением разработанной методики :

Система имеет индекс сложности R=9, следовательно ситема является сложной, что подтверждается получением патента на полезную модель [4]. В качестве источника выбираем смешанные светодиоды Так как не существует единых светодиодных чипов, способных реализовать заданную эффективность, вторым решение является смешение цветов нескольких светодиодов. Для достижения заданных показателей осветительной системы для хирургической комнаты были выбраны следующие светодиоды:

Nichia NVSL219A-H1 (Теплый белый LED; 3000K, 92 CRI, 90LM, 350mA, 3V)

Nichia NVSW219A (холодный белый LED, 6400К, 130LM,

350mA,3 V)

• Nichia NCSE119A (503nm голубовато-зеленый LED, 100LM,350mA, 3.5V; необходим, чтобы заполнить пространство размером 500nm вокруг белых LED)

Так как чип и "упаковка" одинаковы для всех светодиодов, и белый светодиод

имеет конформное фосфорное покрытие, все три светодиода могут входить в состав одной и той же модели с одинаковыми оптическими элементами. В расчетах были использованы несколько светодиодов, а также вторичная оптика, что позволило построить модель оптической системы с изменяемой цветовой температурой за счет изменения входящего тока трех видов светодиодов.

Рассмотрим итоговый спектр осветителя для операционной комнаты.

Обозначим:

Теплый белый светодиод - ww;

Холодный белый светодиод - cw;

Голубовато-зеленый — bg.

Для реализации данного проекта предлагается использовать 48 светодиодов для смешивания цветов в осветителе для операционной, состоящем из 3 куполов. Средняя освещенность каждого светодиода будет равна 163 JIM, 19% от освещенности будут истрачены на оптические погрешности вторичной оптики и 19% - потери в линзе Френеля. Каждый купол будет содержать 16 светодиодов, из которых:

• 2 голубовато-зеленого светодиода, обеспечивающих 82.5 ЛМ/СИД,

(bg);

• 7 теплых белых светодиода, обеспечивающих 141.5 ЛМ/СИД,

(ww);

• 7 холодных белых светодиода, обеспечивающих 207 ЛМ/СИД,

(cw).

Выбор светодиодов позволяет регулировать цветовую температуру с 4950К до 3580К, что обеспечит расширение функциональных возможностей осветителя. На рисунке 5 изображен массив светодиодов для одного модуля трехкупольного осветителя (ILED3).

Первичная оптика является заданным компонентом и неотъемлемой частью светодиода и не может быть изменена, вторичная оптика рассчитывается по методике, предлагаемой в данной работе. В качестве метода расчета выберется SMS 3D метод. Используемые в данном устройстве типы поверхностей IX.

Методика моделирования неизображающих энергосберегающих систем, основанных на светодиодах заключается в применении линзы Френеля с фокусным расстоянием 1 метр. Данная линза размещается впереди линзы ПВО (freeform поверхность), находящегося перед каждым светодиодом. Такая конструкция позволяет создать освещение от каждого светодиода равномерным и избежать наклона вторичной оптики. Для достижения заданного освещения диаметр вторичной оптики должен быть приблизительно равным 22.4 мм и высотой 15.2 мм, что определяется конструктивными соображениями и выбранным количеством светодиодов. На рисунке 4.

показано взаимное расположение элементов одного купола осветителя для операционной комнаты 1ЬЕОЗ (всего 3 купола). Купол содержит 10 светодиодов (все 3 купола состоят из 30 светодиодов).

Рисунок 4 Линза Френеля с 10 коллиматорами.

Таким образом параметрами системы, управляющими достижением требований технического задания является параметры фотонной воронки и линзы Френеля (рисунок 4 и 5). На рисунке 4 видно поверхности образующие профиль фотонной воронки являются поверхностями «й-ееГогт».

На рисунке 5. Представлена фотонная воронка, диаметром 22.4 мм и высотой 15.2 мм. Воронка симметричная по окружности, но боковая поверхность и центральная линза имеют граненную поверхность.

Рисунок 5 Фотонная воронка

На рисунке 6 изображен внешний вид и габаритные размеры линзы Френеля диаметром 126 мм и толщиной 3.06 мм.

Рисунок 6 Линза Френеля для модуля 1ЫЮЗ.

Линза изготавливается из полиметилметакрилата (ПММА). Фокусное расстояние 7.937 мм. Грани линзы направлены к фокусу и расположены с шагом 1 мм друг относительно друга. Внутренняя сторона линзы плоская и имеет возможность соединения с фотонной воронкой. Линза может быть обрезана чтобы соответствовать размерам одного модуля ПЛгПЗ (рис. 5.).

На рисунке 6 изображено распределение освещенности для диска диаметром 2 мм, расположенного на расстоянии в 1 м от параллельного пучка лучей мощностью 1 Вт, проходящих через линзу Френеля. Концентрация световой энергии, которая может использоваться для реализации проекта, составляет 92.3%.

Мг. ! «ЦК». 0!; 1Лйя». Чл ! ЖЗДЮМПгР.АтЗМЯгНЖт«'.

Тем ПкО заму*. Я791 шовемваус Рисунок 6 - Освещенность диска диаметром 2 мм от лучей, проходящих через линзу Френеля 1ЬЕОЗ.

Заключение

1. Выполнен анализ существующих методов проектирования неизображающих оптических систем с применением 'ТгееАэгт" поверхностей

2. Выполнен анализ методов математического моделирования оптических систем с применением "1теей)гт" поверхностей

3. Выполнен анализ существующих алгоритмов моделирования оптических систем с применением 'ТгееАэгт" поверхностей

4. Выполнен анализ условий создания оптической системы с применением 'ТгееГогт" поверхностей.

5. Разработана теории синтеза неизображающих оптических систем и формализация процесса проектирования

6. Разработаны рекомендации по выбору метода расчета

7. Проведено исследование осветительной оптической системы для хирургической комнаты, с применением данной методики.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монографии

1. Васильев В. Н., Лившиц И.Л., Летуновская М.В. Benites Р, Неизображающие оптические системы. Теоретическое исследование и оценка качества, Нобель пресс ISBN: 978-5-51831091-9, с. 14-27.

2. Васильев В. Н., Летуновская М.В., Лившиц И.Л., Филатов А.А., Неизображающие оптические системы. Методика расчёта линзовых систем для сигнальных устройств, Нобель пресс ISBN: 978-5-518-31092-6, с 26-40.

3. Васильев В. Н., Летуновская М.В, Лившиц И.Л., Неизображающие оптические системы. Выбор направления исследования, Нобель пресс ISBN: 978-5-518-31093-3, с. 35-51

В изданиях ВАК

4. Ермолаева Елена Владимировна, Лившиц Ирина Леонидовна, Васильев Владимир Николаевич, Летуновская Марина Валерьевна, Анитропов Роман Викторович, Пабло Бенитес , Патент на полезную модель №142216, Светодиодный хирургический осветитель

В издания, индексируемых в Scopus

5. Mimorov I.V., Letunovskaja M.V., Livshits I.L., Vasil'ev V.N., Urbach P.H. Tendencies in Education on Optical Design in Europe // Industrial Engineering and Operations Management - 2014, No. 2014, pp. 1859 -1864

Формат: 60x84 1/16 Печать офсетная.

Бумага офсетная. Гарнитура Times. Тираж: 100 экз. Заказ: 342 Отпечатано: Учреждение «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., д. 14 +7(812) 9151454, zakaz@tibir.ru, www.tibir.ru