准直式太阳模拟器光学系统设计及辐照特性研究
这是一篇关于太阳模拟器,光学系统设计,自由曲面,辐照不均匀度的论文, 主要内容为太阳模拟器是一种重要的航天器模拟试验、测试和标定的设备。已广泛应用于航空、航天、国防、气象等领域。由于成像关系的影响以及聚光系统和匀光系统参数的相互制约,太阳模拟器的辐照均匀性难以提高,无法满足当前高均匀辐照模拟的需求,严重制约了相关行业的发展。因此,本文针对传统太阳模拟器存在辐照均匀性不高的问题,开展基于自由曲面聚光的太阳模拟器光学系统的设计与研究,解决了聚光系统第二焦面高斯能量分布导致积分器入射面辐照均匀性差的问题,实现了太阳模拟器高辐照均匀性的效果,论文的研究结果为提升太阳模拟技术的发展起到了积极的作用,也为相关领域的工程应用带来了新的思路。通过分析国内外太阳模拟器的研究现状,总结了太阳模拟器的发展趋势和存在的主要问题。叙述了非成像光学理论中的能量传输效率、边光原理、光学扩展量以及太阳模拟器的分类和相关标准。基于太阳辐射模拟技术和非成像光学理论,提出了一种准直式太阳模拟器光学系统的设计方案。该系统由光源、自由曲面聚光镜、光学积分器和准直物镜等组成,阐述了系统的总体布局和工作原理,明确了系统的设计指标要求。为了实现高辐照均匀性的太阳辐照模拟,对光源进行了设计,保证了辐照度不小于一个太阳常数;着重研究了自由曲面聚光镜的设计和优化,建立了一种适用氙灯光源的自由曲面聚光镜模型,改善了聚光系统第二焦面上的辐照分布,提高了光学积分器入射端面上的辐照均匀度;通过对现有匀光系统的比较分析,设计了一种37通道的光学积分器,实现了光束的高均匀性,提高了太阳模拟器的辐照均匀度;依据设计指标要求,设计了口径为?180mm的准直物镜和孔径为?37.7mm的视场光阑,保证了辐照面尺寸和输出光束的平行度。利用Light Tools软件对准直式太阳模拟器光学系统进行了建模、仿真分析以及辐照特性研究,结果表明:使用自由曲面聚光镜的太阳模拟器的辐照不均匀度较使用椭球聚光镜的太阳模拟器的辐照不均匀度显著下降,辐照面?50mm内辐照不均匀度优于?0.32%,辐照面?100mm内辐照不均匀度优于?0.53%。通过误差仿真分析,依据现有自由曲面加工与检测水平,验证了所设计的自由曲面聚光镜加工、检测与装调的可行性。同时,分别仿真分析了氙灯、光学积分器以及准直物镜装调过程中的误差对太阳模拟器辐照度和辐照不均匀度的影响,为后续的太阳模拟器装调误差分配提供了理论依据。
基于自由曲面的照明系统设计方法研究与分析
这是一篇关于自由曲面,照明设计,非成像光学,二次配光,均匀准直的论文, 主要内容为自由曲面是指非对称、不规则、不具有精确统一的数学表达式和旋转对称轴的光学曲面,其面型完全由离散数据采样点定义并拟合而成。自由曲面具有空间布局灵活和设计自由度高等特点,将其应用于照明光学系统,不仅可以赋予光学系统更为精细的光束控制能力,还能调整光学系统结构,提高照明系统的光学性能。本文选取LED和激光作为系统光源,对自由曲面照明光学系统设计方法进行了研究与分析,旨在提供一套简单、高效、适用范围广的自由曲面照明光学系统设计解决方案,具体研究内容如下:(1)针对LED均匀照明问题,首先基于Light Tools优化法设计了实现均匀圆形照明光斑的反光杯。其次,系统研究了基于斯涅尔定律、边缘光线原理和能量守恒定律的自由曲面反光杯及透镜的设计方法。仿真结果证明了设计方法的正确性与有效性。最后,设计近场及远场照明系统,研究扩展光源经透镜及反光杯的目标面照明光斑均匀度变化。结果表明,对于扩展光源,基于点光源设计的透镜具有一定的光线调控能力,可实现满足均匀度要求的照明光斑,而反光杯照明光斑均匀度不佳。(2)针对LED准直性问题,基于Light Tools优化法设计了一款用于LED准直的双凸透镜,但优化法难以满足任意光强角的设计需求。因此,进一步研究了基于斯涅尔定律和能量守恒原理等自由曲面TIR透镜和反光杯设计方法。设计实例证明两种配光方法均可对LED光源进行准直。最后设定不同LED芯片尺寸和目标面距离,分析光源经相同口径的TIR透镜和反光杯准直后的配光曲线、照度分布曲线和照度分布图的参数特点。结果表明,二者配光曲线的发散半角无明显区别,但经TIR透镜的光能利用率、最大光强及最大照度值高,光斑直径大且均匀度优于反光杯。(3)针对激光光束整形问题,提出了一种用于准直激光光束整形的双向动态迭代自由曲面设计方法,并设计实例进行验证。与传统方法相比,提出方法设计的自由曲面连续性和平滑度更好,拟合精度更高,且在加工误差允许范围内,目标面辐照度均匀度更稳定。其次,面对发散激光光束经初始结构自由曲面均匀度下降问题,应用粒子群算法进行照度逆向反馈优化,重新设计自由曲面。仿真结果表明具有一定发散角的激光光束经优化后的自由曲面,目标面光斑照度均匀度显著提高。
准直式太阳模拟器光学系统设计及辐照特性研究
这是一篇关于太阳模拟器,光学系统设计,自由曲面,辐照不均匀度的论文, 主要内容为太阳模拟器是一种重要的航天器模拟试验、测试和标定的设备。已广泛应用于航空、航天、国防、气象等领域。由于成像关系的影响以及聚光系统和匀光系统参数的相互制约,太阳模拟器的辐照均匀性难以提高,无法满足当前高均匀辐照模拟的需求,严重制约了相关行业的发展。因此,本文针对传统太阳模拟器存在辐照均匀性不高的问题,开展基于自由曲面聚光的太阳模拟器光学系统的设计与研究,解决了聚光系统第二焦面高斯能量分布导致积分器入射面辐照均匀性差的问题,实现了太阳模拟器高辐照均匀性的效果,论文的研究结果为提升太阳模拟技术的发展起到了积极的作用,也为相关领域的工程应用带来了新的思路。通过分析国内外太阳模拟器的研究现状,总结了太阳模拟器的发展趋势和存在的主要问题。叙述了非成像光学理论中的能量传输效率、边光原理、光学扩展量以及太阳模拟器的分类和相关标准。基于太阳辐射模拟技术和非成像光学理论,提出了一种准直式太阳模拟器光学系统的设计方案。该系统由光源、自由曲面聚光镜、光学积分器和准直物镜等组成,阐述了系统的总体布局和工作原理,明确了系统的设计指标要求。为了实现高辐照均匀性的太阳辐照模拟,对光源进行了设计,保证了辐照度不小于一个太阳常数;着重研究了自由曲面聚光镜的设计和优化,建立了一种适用氙灯光源的自由曲面聚光镜模型,改善了聚光系统第二焦面上的辐照分布,提高了光学积分器入射端面上的辐照均匀度;通过对现有匀光系统的比较分析,设计了一种37通道的光学积分器,实现了光束的高均匀性,提高了太阳模拟器的辐照均匀度;依据设计指标要求,设计了口径为?180mm的准直物镜和孔径为?37.7mm的视场光阑,保证了辐照面尺寸和输出光束的平行度。利用Light Tools软件对准直式太阳模拟器光学系统进行了建模、仿真分析以及辐照特性研究,结果表明:使用自由曲面聚光镜的太阳模拟器的辐照不均匀度较使用椭球聚光镜的太阳模拟器的辐照不均匀度显著下降,辐照面?50mm内辐照不均匀度优于?0.32%,辐照面?100mm内辐照不均匀度优于?0.53%。通过误差仿真分析,依据现有自由曲面加工与检测水平,验证了所设计的自由曲面聚光镜加工、检测与装调的可行性。同时,分别仿真分析了氙灯、光学积分器以及准直物镜装调过程中的误差对太阳模拟器辐照度和辐照不均匀度的影响,为后续的太阳模拟器装调误差分配提供了理论依据。
准直式太阳模拟器光学系统设计及辐照特性研究
这是一篇关于太阳模拟器,光学系统设计,自由曲面,辐照不均匀度的论文, 主要内容为太阳模拟器是一种重要的航天器模拟试验、测试和标定的设备。已广泛应用于航空、航天、国防、气象等领域。由于成像关系的影响以及聚光系统和匀光系统参数的相互制约,太阳模拟器的辐照均匀性难以提高,无法满足当前高均匀辐照模拟的需求,严重制约了相关行业的发展。因此,本文针对传统太阳模拟器存在辐照均匀性不高的问题,开展基于自由曲面聚光的太阳模拟器光学系统的设计与研究,解决了聚光系统第二焦面高斯能量分布导致积分器入射面辐照均匀性差的问题,实现了太阳模拟器高辐照均匀性的效果,论文的研究结果为提升太阳模拟技术的发展起到了积极的作用,也为相关领域的工程应用带来了新的思路。通过分析国内外太阳模拟器的研究现状,总结了太阳模拟器的发展趋势和存在的主要问题。叙述了非成像光学理论中的能量传输效率、边光原理、光学扩展量以及太阳模拟器的分类和相关标准。基于太阳辐射模拟技术和非成像光学理论,提出了一种准直式太阳模拟器光学系统的设计方案。该系统由光源、自由曲面聚光镜、光学积分器和准直物镜等组成,阐述了系统的总体布局和工作原理,明确了系统的设计指标要求。为了实现高辐照均匀性的太阳辐照模拟,对光源进行了设计,保证了辐照度不小于一个太阳常数;着重研究了自由曲面聚光镜的设计和优化,建立了一种适用氙灯光源的自由曲面聚光镜模型,改善了聚光系统第二焦面上的辐照分布,提高了光学积分器入射端面上的辐照均匀度;通过对现有匀光系统的比较分析,设计了一种37通道的光学积分器,实现了光束的高均匀性,提高了太阳模拟器的辐照均匀度;依据设计指标要求,设计了口径为?180mm的准直物镜和孔径为?37.7mm的视场光阑,保证了辐照面尺寸和输出光束的平行度。利用Light Tools软件对准直式太阳模拟器光学系统进行了建模、仿真分析以及辐照特性研究,结果表明:使用自由曲面聚光镜的太阳模拟器的辐照不均匀度较使用椭球聚光镜的太阳模拟器的辐照不均匀度显著下降,辐照面?50mm内辐照不均匀度优于?0.32%,辐照面?100mm内辐照不均匀度优于?0.53%。通过误差仿真分析,依据现有自由曲面加工与检测水平,验证了所设计的自由曲面聚光镜加工、检测与装调的可行性。同时,分别仿真分析了氙灯、光学积分器以及准直物镜装调过程中的误差对太阳模拟器辐照度和辐照不均匀度的影响,为后续的太阳模拟器装调误差分配提供了理论依据。
基于深度学习的自由照明光学系统算法研究
这是一篇关于自由照明光学,自由曲面,深度学习,神经网络,生成对抗网络的论文, 主要内容为以自由曲面为基础的照明光学构成了一种新技术,它能够实现具有优异光学性能的紧凑、轻便、高效的照明系统,推动了照明设计的发展。自由照明光学设计的目标是在实现期望的照明效果的同时减少光能的浪费,需要利用自由曲面对光源的二次配光。随着自由曲面在光学设计中的优势得到越来越广泛的认识和应用,自由照明光学系统的设计策略就变得尤为重要。在深度学习技术中,最具代表性的神经网络模型是通过模仿人类大脑思考时神经元之间的传递方式进行实现,但以前的模型无法添加很多层搭建复杂的神经网络,其受限于算力等诸多因素,而如今神经网络模型在各个领域都取得了惊人的效果。本文将深度学习中的神经网络模型应用于自由照明光学设计,做了以下工作:1.提出了一种基于pix2pix的自由照明光学设计方法。pix2pix网络是针对GAN的变种网络CGAN进行优化的模型,具备生成网络和判别网络以及利用输入的信息指导生成结果,常应用于图像翻译任务。基于pix2pix的原理,构建Resnet生成网络和Patch GAN判别网络,以光斑为条件信息,训练网络生成透镜,并设计了CGAN+L1的组合损失函数,通过对比实验确定了L1正则化权重系数的取值,引入图像梯度的优化策略,来解决生成数据中存在的梯度损失。实验结果中模型生成数据的总体误差和像素点最大误差都很小,并且仿真光斑的均匀度得到很大提升。2.提出了一种基于U-Net的自由照明光学设计方法。在该方法中,使用了全卷积U-Net网络对数据进行学习,它具有卷积+批量归一化+激活函数的模型结构,并且设计了一个斯涅耳传输层,它是对光线通过自由曲面到目标平面的实际物理过程进行了近似计算描述,作为网络中的重建过程。全卷积U-Net+斯涅耳传输层的设计让整个模型形成了光斑到透镜再到光斑的循环结构,利用重建光斑与目标光斑的像素点损失进行迭代计算。模型中重建结果有着较好的清晰度,保留了原图的轮廓特征,但在原图亮部区域出现了许多黑色噪点。仿真结果的噪点明显增多清晰度降低,细节特征丢失,照度均匀度很低。这两种方法在自由照明光学的不同方面都取得了一定的效果,证明将神经网络模型应用于自由照明光学设计是可行的,但还存在许多局限性和不足。最后进行了全文总结和工作展望。
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