自由曲面设计之切面迭代法介绍
自由曲面设计
第1章自由曲面设计 自由曲面设计（Free Style）功能模块提供使用方便的基于曲面的工具，用以创建符合审美要求的外形，其界面如图1-1所示。通过草图或数字化的数据，设计人员可以高效地创建任意的3D曲线和曲面，通过实时交互更改功能，可以在保证连续性规范的同时调整设计，使之符合审美要求和质量要求。为保证质量，该模块提供了大量的曲线和曲面诊断工具进行实时质量检查。该模块也提供了曲面修改的关联性，曲面的修改会传送到所有相关的拓扑上，如曲线和裁剪区域。 该模块提供强大的、使用方便的曲面工具，帮助设计者创建风格化外形，即使是临时用户也可以很容易地光顺和裁剪曲线和曲面。大量的面向企业的曲线和曲面诊断工具可以执行实时质量检查，以保证设计质量。 自由曲面优化模块扩展了CATIA自由曲面造型设计的外形和曲面造型功能，主要针对复杂的多曲面外形的变形设计。设计者可以像处理一个曲面片一样对多曲面进行整体更改，而同时保持每个曲面先前规定的设计品质。系统能够使一个设计和其他的几何元素（比如一个物理样机的扫描形状）匹配。为检验曲面的设计质量，用户可以实施一个虚拟展室，通过计算出的反射光线对曲面进行检查。 图1-1
1.1 曲线创建 自由曲面设计模块提供了多种建立和编辑曲线的方法，如空间曲线、曲面上曲线、投影曲线、桥接曲线、圆角造型和匹配曲线等。 1.1.1 空间曲线 空间曲线（3D curve）功能，是在空间的一系列点上建立样条线，或者在指南针的XY平面上建立样条线。打开附带光盘中“第1章自由曲面设计”目录下的文件3D Curve.CATPart，如图1-2所示。 图1-2 （1）在Curve Creation工具栏中单击“空间曲线”功能按钮，弹出如图1-3所示的3D curve对话框。 图1-3 （2）在对话框中的Creation type下拉列表框中选择一种建立曲线的方式。 Through points是选择一系列点，作为样条线上的点，如图1-4所示，建立的样条线通过所选择的点。
LED准直照明的自由曲面透镜设计
LED准直照明的自由曲面透镜设计 Jin-Jia Chen, Te-Yuan Wang, Kuang-Lung Huang, Te-Shu Liu, Ming-Da Tsai, and Chin-Tang Lin 1、电气工程学院国立彰化师范大学系，士达路，彰化50074，台湾 2、光电与能源工程，明道大学，369文华路，Peetow，彰化52345，台湾 * jjchen@https://www.360docs.net/doc/1917587861.html,.tw 摘要：我们提出一个简单的镜头自由曲面设计方法应用到LED照明的准直。该方法是从 基本的几何光学分析及施工方法得出。通过使用这种方法，一个高度准直透镜与为 1.0mm ×1.0毫米LED芯片的尺寸和86.5％下的±5度的视角的光学模拟的效率构成。为了验证该透镜的实用性能，准直透镜的原型也制成，并且90.3％具有4.75度的射束角的光学效率被测量。 ?2012美国光学学会 OCIS代码：（220.2740）几何光学设计; （220.4298）非成像光学系统; （220.2945）照明设计; （230.3670）发光二极管。 参考文献 1.H. Ries and J. Muschaweck, “Tailored freeform optical surfaces,”J. Opt. Soc. Am. A 19(3), 590–595 (2002). 2.P. Benítez, J. C. Mi?ano, J. Blen, R. Mohedano, J. Chaves, O. Dross, M. Hernández, and W. Falicoff, “Simultaneous multiple surface optical design method in three dimensions,”Opt. Eng. 43(7), 1489–1502 (2004). 3.Y. Ding, X. Liu, Z. R. Zheng, and P. F. Gu, “Freeform LED lens for uniform illumination,”Opt. Express 16(17),12958–12966 (2008). 4.L. Sun, S. Jin, and S. Cen, “Free-form microlens for illumination applications,”Appl. Opt. 48(29), 5520–5527 (2009). 5.F. R. Fournier, W. J. Cassarly, and J. P. Rolland, “Fast freeform reflector generation usingsource-target maps,”Opt. Express 18(5), 5295–5304 (2010). 6.W. Zhang, Q. Liu, H. Gao, and F. Yu, “Free-form reflector optimization for general lighting,” Opt. Eng. 49(6), 063003 (2010). 7.G. Wang, L. Wang, L. Li, D. Wang, and Y. Zhang, “Secondary optical lens designed in the method of source-target mapping,”Appl. Opt. 50(21), 4031–4036 (2011). 8.V. Medvedev and W. A. Parkyn, Jr., “Screen illumination apparatus and method,”US Patent 6166860 (2000). 9.D. Weigert and D. Chin, “Spotlight with an adjustable angle of radiation and with an aspherical front lens,”US Patent 6499862 B1 (2002). 10.A. Domhardt, S. Weingaertner, U. Rohlfing, and U. Lemmer, “TIR Optics fornon-rotationally symmetric illumination Design,”Proc. SPIE 7103, 710304, 710304-11 (2008).
(完整word版)光学自由曲面制造的基础研究
项目名称：光学自由曲面制造的基础研究首席科学家：房丰洲天津大学 起止年限：2011.1至2015.8 依托部门：教育部天津市科委
二、预期目标 （1）总体目标 针对国家发展的重大需求对光学自由曲面制造技术的要求，深入研究并解决光学自由曲面制造中的重大关键基础科学问题，揭示自由曲面成型过程中纳观尺度材料迁移新理论，掌握和研究光学自由曲面高效、纳米级精度加工工艺技术及装备的共性基础问题，发展具有自主知识产权、具有国际先进水平的高精度、可控面形的光学自由曲面加工技术，培育我国光学自由曲面加工领域在国际上具有重要影响的学术带头人和创新团队，推动我国制造技术基础理论研究，确立在光学自由曲面制造领域国际竞争中的优势地位，增强光学自由曲面核心关键器件自主创新能力，并将光学自由曲面制造理论向更多领域纵深发展，推动我国科技进步。 （2）五年预期目标 在理论研究方面： 解决光学自由曲面制造中的关键科学问题，为实现高精度、高效率和高可靠性的光学自由曲面制造技术与装备提供理论基础，跻身于国际制造科学研究领域的前沿。 ?揭示光学自由曲面加工装备多体多态动力学行为与精度稳定性的映射规律、时变工况激励下控制系统与机械结构耦合动态特征对加工精度的 扰动规律，建立几何/物理/材料关联约束条件下光学自由曲面的空间机 构构型创新设计与优化理论； ?揭示光学自由曲面非均匀变流向纳观材料迁移规律，建立曲面成形过程中跨尺度材料特性演变、表层及近表层材料结构变化等基础理论； ?揭示光学自由曲面物理再构过程中加工工具在力、热和化学等多场耦合环境下与加工材料之间相互作用和微观力学行为，建立加工工具的失效 形式及其加工性能的演变理论； ?揭示多物理场辅助下纳米切削行为、离子注入表面改性后的硬脆材料切削规律，建立工具磨损抑制及材料学分析测试理论。 在技术应用方面：
自由曲面光学镜片的设计
自由曲面光学镜面的设计 摘要 光学自由曲面具有非对称面形、灵活的空间布局、丰富的设计自由度等特性。自由曲面是应用最广泛的曲面形状之一，如能改善人类视觉质量的渐进多焦点眼用镜片，就是自由曲面技术在眼用光学镜片中的成功应用。本文通过设计渐进多焦点眼用镜片，并以之为例研究自由曲面光学镜片的性质及特点。 渐进镜片(英文progressive addition lenses 简称PAL）是针对老视症状的一种有效的解决手段，与各类传统老视镜片相比较具有许多优点，本文对这种镜片的设计和评价进行研究。 首先，介绍渐变镜片的渐变结构特征和矫正原理，比较分析软设计和硬设计之间的区别。 其次，介绍渐进多焦点眼用镜片的基本结构。应用基于狄利克雷原则的软设计方法，阐述渐进多焦点眼用镜片子午线设计的基本原理，构建子午线多项式，给出子午线设计需满足的条件。在子午线设计的基础上，设计渐进多焦点眼用镜片等屈光度轮廓线，在此基础上设计镜片矢高，确定镜片面形。 然后，根据曲面的微分几何理论，给出渐变镜片的性能评价方法，即计算镜片的球面度及柱面度。 关键词渐进镜片；老视；软设计；子午线
Design of free-form surface optical lenses Abstract Free-form lens has asymmetric surface shape, flexible space layout, extensive design freedom and other characteristics. Free surface is one of the curved shapes which are most widely applied. For instance, the progressive addition lenses（PAL) which can improve the quality of human vision are a successful example that the free-form technology is applied to optical lenses. In this paper, the design of the progressive addition lenses is introduced, and the nature and characteristics of the optical lenses will be researched through it. The progressive addition lenses is a new kind of effective solution to presbyopia, it has many advantages over other lenses dealing with presbyopia. Investigation of its design and evaluation method is shown in this paper. Various kinds of presbyopia lens is reviewed and compared. The basic feature and principle of the PAL are introduced and the difference between the characteristics of hard design and soft design is described as well. The structure of progressive addition lenses is introduced, and the soft method based on Dirichlet principle is given in detail. The principle of designing meridional power laws for progressive addition lenses is expounded based on polynomial, and the criterion of designing meridional power laws is given out. On the basis of designing meridional power laws, the vector height and the isopower contours are designed in order to determine the surfaces of progressive addition lenses. According to the differential ge ometry theory of curving surfaces, PAL’s performances are evaluated, and the mean surface power and the constant surface astigmatism are calculated. Keywords progressive addition lenses, presbyopia, soft design,meridian line
实现LED台灯均匀照明的自由曲面透镜仿真设计
实现LED台灯均匀照明的自由曲面透镜仿真设计 时间：2012-05-22 来源：中国照明网作者： 关键字：LED台灯均匀照明仿真设计 1引言 近年来，由于用眼过度和书写环境不良等原因，我国已成为青少年近视眼发病率世界第二的国家，而且因高度近视而致盲的青少年人数高达30万[1]。视力保护、缓解眼疲劳十分必要。调查指出，相对于普通交流台灯，使用无频闪台灯有助于减轻眼疲劳和其他用眼不良感觉，如眼睛干涩、胀痛和眼花等[2]。 LED作为直流无闪频、高光效的新一代照明光源，在书写照明应用上具有极大的潜力。但是，LED高度窄角集中的光学特性导致了光斑呈现中间极亮，随半径增大方向急速衰减的不均匀现象。这种极度不均匀照明将引起瞳孔频繁调焦，容易导致眼睛疲劳和不适。利用自由曲面透镜是有效改善光线分布状况的重要途径。该方法目前主要集中于LED路灯等室外照明的研究[3]。LED是具有一定发光面尺寸的光源，但是面光源的光线路径极其复杂，因此往往将其简化为点光源模型进行透镜设计。这必然影响实际的配光效果。相比于室外照明，应用于室内照明的LED台灯对照明区域的均匀度要求更高。因此，应用于LED台灯配光的自由曲面透镜设计必须充分考虑发光面尺寸和透镜尺寸对配光效果的影响。 2旋转对称自由曲面透镜设计 2.1设计原理 台灯的照明区域主要是圆形区域[4]。因此，实现台灯均匀照明的自由曲面透镜是旋转对称的，其设计可以简化为:根据Snell定律和二维平面空间LED的配光特性求取该平面上透镜自由曲面的母线。LED光源是具有余弦分布特性的朗伯光源，即I(θ)=I0·cosθ(1)上式中I0为法向轴线上LED的光强，θ为光线与法向轴线的夹角，如图1(a)所示。利用划分网格法[5]的思想，建立光源与照明区域的拓扑关系。为实现照明区域照度的均匀分布，离散后具有相同微角度间距dθ的发射光线在照明区域的映射点的间距需满足余弦分布的特性，即l(θ)=l0·cosθ(2)
CATIA_自由曲面教程
自由造型单元可以创建不规则的曲面，构图方式自由，故称自由造型。自由造型构图方式是透过移动控制点的方式来决定曲面或曲线的外形，与其他实体为主的单元的不同处，在于自由造型可以脱离实体的限制，由用户的主观意识来决定所要的外形。 自由曲面优化模块扩展了CATIA自由曲面造型设计的外形和曲面造型功能，主要针对复杂的多曲面外形的变形设计。设计者可以象处理一个曲面片一样对曲面进行整体更改，而同时保持每个曲面先前规定的设计品质。系统能够使一个设计和其他的几何元素匹配。为检验曲面的设计质量，用户可以实施一个虚拟展室，通过计算出反射光线对曲面进行检查。 2.1 进入自由曲面造型单元 打开CATIA软件后，在菜单栏中的开始菜单中选择形状模块，并单击FreeStyle单元，如图2.1所示，进入自由曲面造型单元。 图 2.1 自由曲面造型功能总览： 自由曲面造型单元共有八项主要的工具栏，可以在插入和工具菜单中找到，全部的工具栏请参考图2.2。插入工具栏所提供的功能主要用于曲面与曲线的创建和修改，工具菜单中所提供的功能主要为辅助用户的设计工作。
图 2.2 八项主要工具简介如下： . Curve Creation(曲Array线创建):可以 用各种条件创 建并修改曲 线。 . Surface Creation(曲Array面创建):可以 用各种条件创 建并修改曲 面。 . Shape Modification Array (外形修正)： 可以对曲面、 曲线的外形进 行修正。 . 修改操作)：可 以对曲线、曲
面等对象进行 修改。 . Shape Analysis(外 形分析)：可以 对曲面、曲线 进行间隙、曲 率、曲面品质、 距离误差等的 分析。 . Generic Tools(一般工Array具)：可以显示 曲面的几何状 态，改变指南 针方向。 . View Manipulation (自定义观察Array方式)：可以修 改屏幕的显示 比例，使用指 南针来移动视 角，变换前后 视角。 . FreeStyle Dashboard(自Array由造型辅助面 板)：建立与修 改曲面、曲线 时的辅助工 具。 2.2 曲线创建 曲线创建(Curve Creation）工具栏可以用来绘制曲线，提供数种方式，如：空间曲线(3D Curve)、曲面上的曲线(Curve on Surface)、投影曲线(Project Curve）、并可以利用已知曲线绘制新的曲线，如：桥接曲线(FreeStyle Blend
自由曲面在离轴光学系统中的应用
6红外2017年3月文章编号：1672-8785(2017)03-0006-06 自由曲面在离轴光学系统中的应用 周龛1，3肖锡晟1孙胜利1 (1中国科学院上海技术物理研究所，上海2Q0083 ; 上海科技大学，上海2〇121〇 )_ 摘要：针对自由曲面能提升成像.光学系统的性.能攀1较E像差的特点，分析了自由曲面 在离轴光学系统中的应用优势。光学系统选用视场角为30° x l l°、焦距为150mm、 F数为3的Cook-TMA。本设计中，离轴三反光学系统的主反射镜采用自由曲面设计. 分析了使用Z e mike多项式曲面在大视场离轴反射式光学系铳中对离轴光学系统性能的 提升效果，并与使用常规非球面的精况进行了比较，分析了自由曲面的优缺点…结果 表明，自由曲面在提高离轴光学系统的成像质量方面具有更大的优势，系统的平均传 递函数比常规非球面提升了 15.9%以上，系统接近衍射极限。Zemike多项式曲面在离 轴三反系统中的应用效果良好，系统的成像性能得到了较大的提升。 关键词：自由曲面；大视场；离轴三反光学系统；Zernike多项式 中图分类号：TH703 文献标志码：_A DOI:10.3969/jjssnJ672-8785.2017.03.002 Application of Free-form Surface in Off-axis Optical Systems ZHOU Xin1-2,XIAO Xi-sheng1,SUN Sheng-li1 (1 Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China; 2 Shanghai Tech University, Shanghai 201210, China ) Abstract: According to the features of free-form surfaces which can improve the performance of optical systems and correct aberration, the advantages of using free-form surfaces in off-axis optical systems are analyzed. The optical system used is a Cook-TMA with a field angle of 30 ° x ll ° ，a focal length of 150 mm and a F number of 3. In this design, the main reflector in the off-axis three-mirror optical system is designed by using a free-form surface. The performance improvement of using Zernike polynomial surface in a wide field off-axis reflecting optical system is analyzed and compared with that of the use of conventional aspheric surface. The advantages and disadvantages of free-form surfaces are analyzed. The results show that free-form surfaces have more advantages in the improvement of imaging quality of off-axis optical systems. The average transfer function of using free-form surface is 15.9% higher than that of using conventional aspheric surface. The system is close to the diffraction limit. The use effectiveness of Zernike polynomial surface in the off-axis three-mirror optical system is good and the imaging performance of the system is improved greatly. Key words: free-form surface; large field of view; off-axis three-mirror optical system; Zernike polyno- mial 收稿日期：2017-02-13 作者简介：周鑫（1991-)，男，浙江湖州人，硕士研究生，主要研究大视场航天遥感器光学设计理论与实践。E-mail: zhouxinl991@https://www.360docs.net/doc/1917587861.html, I nfrared(monthly)/V ol.38, No.3, M ar 2017https://www.360docs.net/doc/1917587861.html,/hw
自由曲面照明透镜的应用研究_江程
文章编号:042727104(2010)0120081207 收稿日期:2009205231 基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2006AA03A166) 作者简介:江 程(1984— ),男,硕士研究生;刘木清,男,教授,通讯联系人,E 2mail :mqliu @https://www.360docs.net/doc/1917587861.html,.自由曲面照明透镜的应用研究 江 程,江 磊,陈郁阳,刘木清 (复旦大学电光源研究所,上海200433) 摘 要:根据已知光辐射分布特性的光源,通过设计合适的配光透镜,形成目标观察面上特定的照度分布或空间的光强分布,比如说形成照度均匀的矩形光斑.依据最基本的光学定律和能量守恒定理,提出了一种新颖的照明透镜设计方法.该方法在确定了能量映射方式和单面自由曲面透镜的初始结构后,由矢量形式的折射定律和光通量守恒定律,建立光源的光线、最终出射光线及入射点的法向矢量的关系方程组,进而得到此方程组的数值解,并通过CAD 软件的逆向工程建模即得到设计的透镜.介绍了此方法的多个实例.由于半导体光源L ED 体积小,可近似看成点光源,非常有利于使用自由曲面法进行二次光学设计. 关键词:照明透镜;自由曲面;点光源;辐射对应;网格对应 中图分类号:TU 113文献标志码:A 传统的灯具设计一般在抛物面、椭球面等二次圆锥曲面上进行反射加透射结构的光学设计,来达到希望的光强分布.然而仅使用上述规则曲面往往并不能一下子达到设计目标,一般要通过试错法,对这样规则曲面的初始面形反射器进行一定的改动与细心的调整,反复优化,这种设计方法的时间周期长,且不一定奏效. 现在介绍一种比较新颖和热门的设计方法———自由曲面法,在知道光源本身的光强分布和目标平面的照度分布情况下,能够一气呵成的设计出所需的反射器或透镜,有利于提高设计灯具的效率.自由曲面非对称、不规则、难以用统一的方程式来描述.在照明光学系统中,它不仅能够自由分配光强,也可以控制光线角度、光程差等物理量.在照明系统中恰当的使用自由曲面能够优化照明系统的结构,减小系统的体积大小,提升照明效果,提高光能利用率,能够丰富照明设计的手段. 针对自由曲面的光学设计目前主要有H.Ries 的Tailoring 法[122],P.Benitez 的SMS (simultaneous multiple surface )法[3],V.Oliker 的变分法[425]以及W.Parkyn 的划分网格法[627]等.上述方法都比较复杂,最终都是把照明问题转换成对二阶非线性Monge 2Ampere 方程组的数值求解.比如就Tailoring 法而言,就有折射率方程、曲率方程、照度方程、积分条件及边界条件等5个矢量方程组,建模的过程采用了微分几何,方程的求解过程对数学要求也很高.而国内针对自由曲面非成像透镜也有单位在研究,各自的侧重点不同.浙江大学针对投影照明的应用而先后研究了反射式、透射式的自由曲面光学设计[829],清华大学则提出了表面非连续的自由曲面透镜的设计有利于控制大角度光线的精确度[10],另外香港理工大学的研究主要是针对道路照明应用的L ED 光源的二次光学设计[11]. 本文根据照明的光学设计的实际应用,依据最基本的光学定律和能量守恒定理,提出了一种新颖的照明透镜设计方法,简化了单面自由曲面的照明透镜的设计,具体针对L ED 点光源介绍了几种可行的透镜结构和能量对应关系,并以形成矩形光斑为例,研制出了多种不同形式自由曲面照明透镜.1 设计方法与步骤 1.1 确定单面自由曲面照明透镜的初始结构 目前能同时设计透镜的内外两表面均为自由曲面的只有P.Benitez 的SMS 法,本文要介绍的只是单面自由曲面的透镜,因此就有必须设定透镜某表面采用简单形式的曲面,而对另一表面加以设计.常用的第49卷 第1期2010年2月复旦学报(自然科学版)Journal of Fudan University (Natural Science )Vol.49No.1Feb.2010
自由曲面建模命令解释
一、自由曲面建模 自由曲面建模可建立solid和sheet，通常是建立sheet，即厚度为零的自由曲面片体。 片体用途为创建用前面的普通实体建模方法难以实现的形状、或对已有线框模型进行蒙面。 片体转换为实体的方式有：加厚thicken；对多个封闭的片体进行sew形成；或用片体trim实体。实体转换为片体和线框模型的方法为CURVE FEATURE下的抽取命令（EXTRACT） 一般是构建曲面的截面线不封闭。 构建曲面要注意以下问题： smart sheet tolerances:构建曲面是一种逼近方法，误差是不可避免的。tolerances分为：distance tolerances和angle tolerances。是理论曲面与实际曲面的最大误差。通常仅仅限制distance tolerances是不够的，当你发现作成的曲面数据太大或时间过长，一般来说就是误差太小的缘故。有时你可能将angle tolerances设置的很大。设置方式在preferences----modeling中。一般来讲，需要指定两项误差的有：through curve/through curve/swept/ruled/bridge等，只须指定distance tolerances的有conic/extebsion/fillet/offset/face blend/thicken等。 U,V向：row为U向，column为V向 patch: patch为组成sheet的基本部分，象样条的segment.有single和multiple。multiple patch并不意味着是多个面。 degree:U,Vdegree之分。可以为1-24。 closed: U,V向之分。 1.through point和from poles：和样条曲线的构建方法基本一致。 2.through curve: ●curve outline称为section string，每一个section string可以是单段对象，也可以是多 段曲线，可以是曲线，也可以是edge. ########Section strings的选择方法： 每一个section string可以是单段对象，也可以是多段曲线，可以是曲线，也可以是edge.和face,和单选，chain，也可curve edge混合，但注意必须连续。 注意：光标选择的位置决定了起点的位置和方向。对单段曲线或边来讲，光标选择的位置就是起点，方向指向线的尾端；对多段来讲，先选第一段，方式与前相同，后面的各段必须按顺序选择；对chain来讲，注意他有与chain的方法一致，即选择的光标位置是用于chain的，chain的结果自然决定了起点位置（这点需特别注意）；对face来讲，光标选择的位置需要在起点附近选择，距光标最近的边为为开始边。 ●U向Degree row为U向,即section string所在的截面，一般为3阶。但如果distance tolerances 太小而且section string曲线的阶数较高，则U向阶数等于section string曲线的阶数。*V向Degree和Patch类型：需要输入，缺省为3 column为V向，正交于section string。他由patch的类型和输入的Degree值有关。single 与section string的个数有关。multiple与输入的Degree值有关。 ●closed: U向是否封闭看section string是否封闭。V向是否封闭看设置。 ●可以对曲面的第一和最后两个截面的周边进行tangent和curvature约束。 ●alignment： alignment用于指定各个截面串上的点如何对齐。我们知道目前只有U向截面串，但V 向是如何连接的？可以肯定的是所以截面串上的起点连在一起，所有终点也连在一起，但中间如何连接有无尽的可能。我们就需要用alignment来决定。 parameter: at equal parameter intervals（单个截面串各段parameter长除以点数）
建筑中自由曲面造型的理性构思
第28卷第6期 Vol.28No.62007青岛理工大学学报Journal of Qingdao Technological University 建筑中自由曲面造型的理性构思 苏 毅,曾 坚 (天津大学建筑学院,天津300072) 摘 要:公众对建筑中的自由曲面造型多有“不理性”和“形式主义”的看法.通过对优秀曲面建筑 设计案例的分析,认为这些曲面造型背后,存有合理的构思,可弥补日益高密度化的城市环境,回 应比过去复杂的城市文脉,满足受力和其他物理方面的要求等.因此,建筑师们应放下观念上的包 袱,为设计更理性、更优雅、更经济的自由曲面造型做准备. 关键词:曲面建筑;理性构思;高密度城市环境 中图分类号:TU201 文献标志码:A 文章编号:1673—4602(2007)06—0058—04 曲面型建筑在我国源远流长,传统建筑中的屋面、翼角、檐口曲线已成为制度而历代相传.近年来又兴建了不少新的曲面建筑,如:国家大剧院、2008年奥运会主体育场、北京天文馆等.但不少人对当代自由曲面型建筑还不甚理解,有“不理性”与“形式主义”之议.这里面实际上多少有一点误会,因为这些曲面造型并非仅仅出于建筑师一时的灵感,而是有它产生的必然性.不少优秀的自由曲面造型是与环境、功能、结构等理性因素紧密结合的 . 图1 马岩松设计的曲面型公寓楼 图2 坂茂的梅斯(Metz )蓬皮杜中心分馆设计竞标方案1 曲面造型是对日益高密度化的都市 环境的一种弥补措施 当代大都市中心区具有超高的容积率,在这样的 “水泥森林”中建设,如何满足人对自然景观的需要就 成了建筑师所必需面对的问题. 荷兰人口密度非常高,荷兰建筑事务所MVRDV 把密度问题作为他们要处理的主要问题.就密度这个 专题,MVRDV 采用“数据可视化”手段,发表了《三公 里》(KM3)和《极限容积率》 (MAX FA R )等著作,还提出了“空间连续景观”等概念,旨在采用曲面型的楼板 和坡道打破水平分层的禁锢,创造三维的人工绿色环 境,其中一个例子是汉诺威世博会荷兰馆的设计[1].其 实,早在1967年,以色列建筑师萨夫迪(Mo she Safdie )在著名的“蒙特利尔67号住宅”方案设计中, 已经做过给每家分摊大阳台的尝试.不过,因为还没有 引入连续曲面楼板,这些“绿色大阳台”还只能呈零散、 孤立状态,效果就不如有三维连续景观道路的荷兰馆. 我国建筑师马岩松,最近在加拿大举办的一次国 际建筑竞赛中中标.此次竞赛的目的是评选出密西沙收稿日期:2007—04—16 基金项目:国家教育部博士点基金资助项目(20050056031);国家自然科学基金资助项目(50578106)
自由曲面在空间光学的应用
自由曲面在空间光学中的应用 在当今的生活中，自由曲面（Free-form）扮演着越来越重要的角色。如汽车车身、飞 机机翼和轮船船体的曲线和曲面都是自由曲面。到底什么是自由曲面？简单来讲，在工业上我们认为就是不能用初等解析函数完全清楚的表达全部形状，需要构造新的函数来进行研究；在光学系统中，光学自由曲面没有严格确切的定义，通常是指无法用球面或者非球面系数来表示的光学曲面，主要是指非旋转对称的曲面或者只能用参数向量来表示的曲面。在我们的日常生活中，打印机、复印机以及彩色CRT中都会用到光学自由曲面。鉴于光学自由曲面在我们的生活中扮演着越来越重要的角色，所以，以下就自由曲面在空间光学方面的情况进行了调研。 一、自由曲面简介 光学自由曲面没有严格确切的定义，通常指无法用球面或者非球面系数来表示的光学曲面，主要是指非旋转对称的曲面或者只能用参数向量来表示的曲面。光学自由曲面已经渗透到我们生活中的各个角落，如能改善人类视觉质量的渐进多焦点眼镜，就是自由曲面技术在眼用光学镜片中的成功应用。 自由曲面光学镜片主要有两种：一是自然形成的曲面；二是人工形成的曲面。人工形成的自由曲面又分为一次成型和加工成型两种形式。 二、自由曲面运用的原因 空间遥感光学系统是在离地200km（低轨卫星）以上的轨道对地面目标或空间目标进 行光学信息获取，具有遥感成像距离远的特点。如何在几百公里遥感距离下获得较高分辨率的同时保证较宽的成像幅宽是推动空间遥感光学不断发展的源动力。 光学系统的入瞳直径是决定空间相机地面像元分辨率的主要因素之一，在一定F／＃的前提下，入瞳直径越大，空间相机地面像元分辨率越高。但入瞳直径的增加，意味着所有与孔径相关的像差增加。受空间环境中力学、热学、压力等因素的制约，当入瞳直径增大到一定程度（通常200mm以上），光学系统一般采用反射式或折反射式方案。为了简化光学系统形式，仅采用球面镜是无法平衡由于入瞳直径增加而剧增的像差，然而通过运用自由曲面的应用，可以解决像差增大的问题。由于自由曲面光学元件具有非对称结构形式，能够提供灵活的空间布局，拓展了优化自由度，提升了光学系统的像差平衡能力，从而显著改善了光
CATIA汽车曲面综合设计实例
第三節汽車曲面綜合範例 操作程序： 一、開啟圖檔 二、複製點群資料 三、自由曲面配接 四、產生接近曲面 五、自由混成曲面 六、鏡射自由混成曲面 七、更改自由曲面顏色 八、環境映射及反射線
一、開啟圖檔 1. 選擇自由曲面模組 於作業系統點選（CATIA）圖示，進入Product1後，系統將會顯示各模組的選項圖示，接著選取Free Style模組，如下圖所示。 2. 開啟圖檔 在工具箱中點選（開啟舊檔）圖示，系統將顯示如下圖所示之視窗，使用者可選取如圖所示的兩個檔案，開啟圖檔。
3. 顯示圖檔 完成選取後，接著在視窗中按下開啟舊檔按鈕，系統將會顯示圖檔圖形，如下圖所示。 二、複製點群資料 1. 複製點群資料
以滑鼠左鍵點選一下點群後，系統會以橘紅色顯示，如下圖所示，接著按鍵盤Ctrl＋C鍵複製點群。 點選此點群 2. 貼上點群資料 以滑鼠左鍵在汽車圖檔視窗上點一下，接著按鍵盤Ctrl＋V鍵貼上複製的點群在汽車圖檔裡，完成後系統將會顯示點群，如下圖所示。 三、自由曲面配接 1. 切換上視圖 在工具箱中點選（頂視圖）圖示，將視景方向切換成頂視圖，如下圖所示。
2. 點選xy 平面 在模型樹中以滑鼠左鍵選取xy 平面，如下圖所示，以便下一步驟進行繪製曲面。 3. 繪製自由曲面 在工具箱中點選 （兩點平面）圖示，接著以滑鼠左鍵指定兩點決定此自由曲 面，如下圖所示。 第一點第二點 4. 選取自由曲面邊界 a. 在工具箱中連續點選 （自由曲面配接）圖示兩次，系統將會顯示如下圖左
所示之對話框；接著按下More鈕，系統會顯示各參數的選項，使用者可依下圖右所示之設定進行參數設定。 b. 完成參數之設定後，接著以滑鼠左鍵選取自由曲面邊界，如下圖所示。 選取此邊界 5. 選取欲配接之邊界 完成選取自由曲面邊界後，接著以滑鼠左鍵選取欲進行配接之邊界，如下圖所示。 選取此邊界 6. 完成自由曲面配接
基于光学自由曲面的离轴三反光学系统
基于光学自由曲面的离轴三反光学系统 目的是完成长焦距大视场离轴三反空间光学系统的有效设计以及研制，进而对自由曲面光学数理模型进行描述。完成立足于自由曲面的离轴三反光学系统的设计分析。其焦距大小为4500mm，同时其成像视场角大小为11°。同时还直接对比分析了传统离轴三反光学系统跟次镜为自由曲面离轴三反光学系统关键性能。光学系统中设计中需要从根本上使用自由曲面设计的光镜，促使光学系统像差平衡能力得到基础的保证。最后选择最佳的方案，相对孔径大小为D/f=1/9.0，促使光学自由曲面离轴三反光学系统得到有效设计。 标签：光学自由曲面；离轴三反光学系統；研究 1 概述 随着各国之间的竞争愈加的激烈，目前各国之间经济竞争中，最具代表性的竞争项目就是高科技，也就是说是一种信息技术之间的竞争。一个国家高科技发展水平以及发展潜力之间受到空间遥感技术水平的直接影响。因为在环境污染以及生态破坏控制过程中使用空间遥感技术可以取得非常显著的效果。所以在权衡利弊之后，想要对生存环境进行保护以及维持，就需要提升以及创新空间遥感技术，促使我国社会以及经济发展实现可持续发展。分析目前的实际情况得到，空间遥感光学系统取得了较为显著的成绩，其主要趋向于长焦距、大口径、小体积、轻量化发展走向。在空间遥感系统中，广泛使用的是反射式成像光学系统。反射式成像光学系统得到广泛使用主要是因为具有以下特点：不存在色差、光学系统可实现折叠、轻量化发展等[1]。反射系统可以被分为以下几个部分：第一个部分是四反射系统；第二个部分是三反射系统；第三个部分是两反射系统。 2 基于自由曲面的光学离轴三反光学系统设计以及性能分析 选取光学系统的主要参数，分为以下几个：第一个是焦距f（m）；第二个是视场角FOV（°）；第三个是相对孔径D/f等。在确定主要参数的基础上确定探测器像元尺寸大小。所以，焦距f（m）、视场角FOV（°）、相对孔径D/f对于系统等重要性能指标直接造成非常大的影响，例如：成像带宽（SW）、地面像元分辨力（GSD）、信噪比（SNR）、传递函数设计（MTF）等。大视场设计需要作者选择使用COOK-TMA离轴三反构型参与设计，详细如图1： 其中，次镜则主要为系统孔径光阑，光学系统需要实现基本的对称形式，最后完成一次成像离轴三反射镜系统的设计。在上述的基础上完成基于传统非球面的离轴三反系统光学系统设计工作。 在完成设计工作之后得到，在存在结构尺寸约束的基础上，从根本上满足相关的任务指标，一般在长焦距大视场系统设计过程中，选择使用的是常规离轴三反光学系统的长焦距。这样一来就会存在相对较大的轴外像差。相比中心视场实际情况得到，会存在明显降低轴外视场传递函数的情况，其下降幅度超过
自由曲面渐进
我们国内众多厂家都引进了内渐进镜片品牌，还有不少是采用双表面自由曲面渐进镜片（双面渐进设计、复合多曲面设计、个性化设计、），使得渐进镜片在很大程度上变得更完美、更个性化、更舒适、也更复杂了。复杂在一些必要的测量数据上，对验光与校配眼镜（调整眼镜）有着更高的要求，对于销售上的优点也更明显化。在测量数据上，有着众多的要求，如习惯、眼睛运动、前倾角、镜角距、镜面弯、镜架参数等内容。接下来几期让我们现在来分析这些自由曲面渐进镜片的优点、数据的必要性及数据的测量方法。 利用自由曲面技术加工的镜片与传统渐进多焦点镜片相比有以下优点。 1.视野得到明显改善 将渐进设计移到内表面之后明显扩大了镜片各区的视野，另一个改善视野的因素来自于内表面的非球面或散光非球面设计。非球面设计使得镜片的顶点曲率半径变平，从而使镜片更靠近眼睛，视野得到进一步扩大。 2.光学性能可被优化至最佳 传统的渐进多焦点片因要考虑模具加工和半成口片的库存成本问题，往往一个模具聚合成形的外弯要对应很多镜片光度。这就等于牺牲了大部分镜片的最佳光学性能，而最佳的光学性能应该是：每个光度只对应一个外弯。这对于传统的渐进多焦点镜片来说几乎是不可能的。因此，只能对最佳的视觉效果做出让步。视觉效果的优劣取决于镜片光度偏离所需最佳外弯的远近。使用自由曲面技术的渐进多焦点镜片其最大优点是：镜片的内、外表面均可选择最佳匹配的弯度；内表面本身就带有非球面设计，使镜片的光学性能得到了极大的优化、视物的清晰度得到了明显的提高。 3.个性化设计成为可能
使用自由曲面技术的渐进多焦点镜片，可以在其设计软件中直接加入镜框形状、尺寸、瞳距及戴镜习惯产生的相关个性化参数等。使镜片的光学性能可以根据每个人的特殊情况得到进一步的优化。真正实现了可量身定做的个性化镜片。 大家都知道，外表面渐进多数可以用浇铸法（模铸法），也就是说用模具进行灌注后固化即可，前表面是渐进面，后面表就是度数球面，那么这些外渐进镜片的渐进方式是不可变、下加光无法修正、左右模糊区也无法改善、近用区域的内移量恒定、配戴后出现明显的波动现象。外渐进镜片由于是浇铸法，无法进行参数的改变，也无法对镜片进行多点度数修正，更主要的是灌注法的镜片有着无法处理的波前像差问题（有波动现象等）。有个别厂家已经有内渐进镜片也用浇铸法，相同的问题也一样存在。自由曲面渐进都是用研磨法进行表面精磨，以下内容都是用研磨法做渐进镜片。 目前自由曲面渐进分为有四种： 第一类是内表面自由曲面，外表面球面； 第二类是内表面自由曲面，外表面为非球曲面设计； 第三类是外表面自由曲面，内表面为非球面面设计， 第四类是内外表面都用自由曲面渐进设计。 其中第三类极为罕见。现在自由曲面渐进第一类最为常见，技术含量也是较低的，并非真正的自由曲面渐进镜片； 第二类在外表面为非球面设计，可以对点度数进行一定程度的修正，已经可以使渐进的波动现象得到极好的改善；