自從從事非成像光學設計來,如何設計有最大能量利用率的Lens,一直在我的心中思索,而其中最讓我感到興趣的就是自由曲面,可惜的是國內相關的資訊不多,後來我在OSA的網站看到這篇介紹照明設計的文章,我覺得還滿不錯,雖然我是菜英文,不過我還是盡力將其翻成中文,如果有錯誤之處還請各位先進不吝指教。

 

The Future of illumination Design

越來越多的光學設計者和製造者正利用非成像光學的概念去處理照明設計,這樣的好處是可以去避免表面幾何上的限制,創造較簡單但同時有較佳性能的設計。

 

光學的起源與球面有密切的關聯,其主要的理由為下列二點:

1.球面是最簡單能精準製造與拋光的面。

2.在有電腦前的年代,光學設計的方法是基於代數計算,而對於球面,可以以近軸(高斯)近似,使其得到有用的簡化。

 

而後非球面表面設計開始被使用,雖然一些軸對稱的非球面於百年前就已被使用,但直到1905年,Schwarzschild才第一次使用兩互相關聯的非球面設計。

 

消除球面限制而得到的自由度可以用來提高系統的性能、減低Cost,或是兩者。隨著具有優化能力並可設計非球面的電腦增加,也越來越有能力去設計非球面,然而在整個20th世紀,具有製造光學精準度的非球面科技仍然受限。多年來,製造和量測非球面仍然困難和昂貴。

 

成像光學的設計和製造仍然主要為球面,即使非球面被使用,製造者也只能允許非球面為一最佳擬合球面的小偏移,現代製造與量測技術將很快大幅地放寬這項限制,但設計工具的不夠先進,並繼續限制廣泛地使用不受限的非球面。

 

非成像光學領域(包含照明光學)對有較大的表面複雜性是一個很好的舞台,它的設計技術和目標與成像光學不同,它的設計方法通常是使用Radical非球面,此外,製造公差與性能目標的要求通常比成像光學低,因此在這領域的光學製造者與設計者已廣泛地使用非球面。

 

設計師和工程師們已經採取從光學表面幾何的限制中解放的最新措施—超越旋轉對稱。自由曲面(free-form surfaces)大大地提高設計的自由度,很多在理論上沒有完美對稱光學解答的設計問題,變得容易處理,多次明顯的改善,都是藉由拋棄旋轉對稱。

 

大部份的照明設計問題是沒有對稱的解,這是因為光源和照明目標間的形狀有不同的對稱性,故不可能達到100%的幾何擴展耦合。雖然在一些低效能系統上有時是例外的。

 

非成像光學設計已經開創了自由形式的設計和製造,自由形式的設計手法比成像光學的還要更先進,它可以生成具有更好性能的簡單設計。

 

另外,因為非成像元件一般具有比成像元件更多的表面誤差容忍度,其量產是比較容易,這是特別有吸引力,因為量產有嚴格的成本要求,因此簡單的設計是非常有益的。

 

自由曲面的設計和製造需要適當的數學方程式去描述,雖然經典的雙變數多項式已經被使用,而目前最常見的表示法是基於NURBS (non-uniform rational B-spline),其已被廣泛地應用於CAD套裝軟體。

 

光學設計的未來將被自由曲面所支配,所以我們現在將審視在非成像光學中的自由曲面設計法,尤其是在照明方面,以了解在邁向完善的自由曲面設計方法上,目前所遇到的趨勢與挑戰,這些設計方法有:

1.Multiparameter Optimization

2.Partial Differential Equations

3.The Simultaneous Multiple Surface Method

 

最後兩種方法是直接生成形狀 (面是 "量身定做");而第一種方法是一種改善設計的依次迭代

 

 

原文出自下列網站

http://www.osa-opn.org/home/articles/volume_18/issue_5/features/the_future_of_illumination_design/#.UqhsnNIW1EA

 

 

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