В данном исследовании предлагается новый метод проектирования компактных линз свободной формы с высокой гибкостью для создания качественных прямоугольных световых пятен в системах искусственного освещения типа «искусственное небо». Применение прямоугольного разбиения сетки позволяет преодолеть типичные для традиционных систем проблемы, такие как структурная сложность и неравномерность освещённости. Разработанная линза обеспечивает повышенную равномерность освещённости и чёткость границ без увеличения физических размеров системы.
Для оптимизации производительности предложены три ключевых нововведения: (i) методика моделирования с пониженной дискретизацией, повышающая точность моделирования при сокращении времени вычислений; (ii) метод отсечения энергетической поверхности для удаления лучей, подвергающихся полному внутреннему отражению, что улучшает распределение света; и (iii) подход к построению UV-поверхности, объединяющий дискретные точки в гладкую поверхность свободной формы, эффективно минимизируя краевые искажения.
Предложенная конструкция была проверена с помощью оптического моделирования и экспериментальной реализации на основе светодиодов LUXEON C White. Результаты подтверждают её эффективность в формировании чётко очерченных и равномерных прямоугольных световых пятен. Кроме того, масштабируемость конструкции была протестирована в условиях протяжённого источника света и для больших целевых областей. Для дальнейшего повышения оптических характеристик использовались генетические алгоритмы для оптимизации конфигурации светодиодных матриц.
Данная работа предлагает масштабируемое и эффективное оптическое решение для применений в области искусственного неба, обеспечивая высококачественное световое воздействие, пригодное для интеграции в архитектурную среду и помещения без естественного освещения.
1. Yasukouchi A., Maeda T., Hara K. et al. Non-visual effects of diurnal exposure to an artificial skylight, including nocturnal melatonin suppression // Journal of Physiological Anthropology. 2019. Т. 38, № 1. https://doi.org/10.1186/s40101–019–0203–4.
2. Canazei M., Pohl W., Bliem H.R. et al. Artificial skylight effects in a windowless office environment // Building and Environment. 2017. Т. 124. С. 69–77.
3. Canazei M., Laner M., Staggl S. et al. Room- and illumination-related effects of an artificial skylight // Lighting Research & Technology. 2016. Т. 48, № 5. С. 539–558. https://doi.org/10.1177/1477153515577852.
4. CoeLux Srl. Experience the sky from the first fully open MRI system. Retrieved April 28, 2024, from https://www.coelux.com/en/news/experience-the-sky-from-the-first-fully-openmri-system‑11556
5. Qingdao Yeelink Information Technology Co., Ltd. Smart Lighting Made Easier Yeelight. Retrieved April 28, 2024, from https://www.yeelight.com/home
6. Fournier F., Rolland J. Design methodology for high brightness projectors // Journal of Display Technology. 2008. Т. 4, № 1. С. 86–91.
7. Minano J.C., Benitez P., Blen J. et al. High-efficiency freeform condenser overcoming rotational symmetry limitations // Optics Express. 2008. Т. 16, № 25. С. 20193–20195.
8. Sun L.W., Jin S.Z. et al. Design of freeform microlens for LED general illumination // 2009 Asia Communications and Photonics Conference and Exhibition (ACP). Shanghai, China, 2009. С. 1–10.
9. Liu Z., Liu S., Wang K. et al. Optical Analysis of Color Distribution in White LEDs With Various Packaging Methods // IEEE Photonics Technology Letters. 2008. Т. 20, № 24. С. 2027–2029.
10. Shuang Z., Kai W., Fei C. et al. Lens design of LED searchlight of high brightness and distant spot // Journal of the Optical Society of America A: Optics, Image Science, and Vision. 2011. Т. 28, № 5. С. 815–820.
11. Zongyuan L., Kai W., Xiaobing L. et al. Precise optical modeling of blue light-emitting diodes by Monte Carlo ray-tracing // Optics Express. 2010. Т. 18, № 9. С. 9398–9412.
12. Sun L.W., Jin S.Z., Cen S. Freeform microlens for illumination applications // Applied Optics. 2009. Т. 48, № 29. С. 5520–5521.
13. Chen J.-J., Wang T.-Y., Huang K.-L. et al. Freeform lens design for LED collimating illumination // Optics Express. 2012. Т. 20, № 10. С. 10984–10995.
14. Feng Z., Cheng D., Wang Y. Iterative freeform lens design for optical field control // Photonics Research. 2021. Т. 9, № 9. С. 1775–1783.
15. Ge A., Wang W., Du Z. et al. High-energy-efficiency optical system for an LED headlamp architecture // Applied Optics. 2013. Т. 52, № 34. С. 8320–8327.
16. Wang K., Wu D., Chen F. et al. Angular color uniformity enhancement of white light-emitting diodes integrated with freeform lenses // Optics Letters. 2010. Т. 35, № 11. С. 1860–1862.

• Предыдущая статья
• Следующая статья

• линза свободной формы
• равномерное освещение
• чёткая граница