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/a012751404.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
曲面可以是平面、球面或柱面.下面给出3种单面自由曲面照明透镜可采用的结构.内表面是球面,外表面是自由曲面,见图1;内表面是平面,外表面是自由曲面,见图2;外表面是平面内表面是自由曲面,见图3,其中s 是光源,n 是透镜材料的折射率,下同.可以理解,图1的结构与图2的结构从光学角度而言本质相同.另外,外表面为平面的自由曲面透镜结构由本人首先提出,并只有使用下文介绍的方法才能设计成功
.
1.2 建立模型
自由曲面设计的思路就是根据入射光矢量和出射光矢量的变化关系式求得入射点的曲率,从而根据所有已知的曲率和边界条件来求所需的曲面
.
图4 光源点s ,入射点p 及目标面上点t 的光线示意图.N 表示垂直于光学表面的法矢量
Fig.4 Sketch of source location ,a point p on t he
optical surface ,and point s p on t he target
surface.N denotes t he unit normal to t he
optical surface 如图4所示[122,12],考虑一束从空间点光源s 发出
的光入射到某光学表面的p 点上,后折射或反射到目
标面上t 点.设入射光单位矢量I n =Unit (p -s ),出射
光单位矢量Out =Unit (t -p )及法向矢量N ,则三者满
足下面关系:
[1+n 2-2n (Out ?I n )]1/2N =Out -n I n ,(1)
(1)式中的n 分为n =1(反射)和n ≠1(折射)两种情
况.(1)式是折射定律的矢量形式,给出了入射光线矢
量与出射光线矢量的关系[122,12].在图1所示的透镜结
构图中,以光源s 为原点,引用球坐标系后把(1)式的
矢量方程化为标量方程有:
x =(ρθ′sin θ-ρφ′sin φcos φcos θ+ρsin 2φcos θ
)A +(ρ+n |t -p |)sin φco s θ,y =(ρθ′cos θ+ρφ′sin φcos φcos θ-ρsin 2φcos θ)A +(ρ+n |t -p |)sin φsin θ,
z =(-ρφ′sin 2φcos φcos θ+ρsin φcos φ
)A +(ρ+n |t -p |)cos φ
;
其中,A 为一变量,s =(0,0,0),t =(x ,y ,z ),p =(x p ,y p ,z p )=ρ(θ,φ)(sin φcos θ,sin φsin θ,cos φ),ρθ′表示
ρ(θ,φ)对θ的偏导数,ρφ′表示ρ(θ,φ
)对φ的偏导数,下同.上式中的因子|t -p |再进一步代数化过程有诸多不便.
由于在室内室外照明实际应用时,目标受照面相对比较远,出射光线到目标照射点t 到原点的距离|t |至少是米的级别,而针对点光源设计的照明透镜一般比较小,其外表面一点p 到原点的距离|p |可以人为地控制在毫米的数量级,即得|t |μ|p |,所以可以认为透镜大小可以忽略不计,即|t -p |?|t |.也就是说,任意一条射到受照面上的光线都可以认为由原点发射出来.根据这一合理的近似后,方程的求解才变得可能,特别是外表面是平面的结构中,没有这个条件是根本不能求解的.
根据实际照明面的位置,可以进一步将(2)式简化.令照明面垂直于y 轴,位于y 0处,即y =y 0,则(2)式28复旦学报(自然科学版) 第49卷
可变形为:
x =(ρθ′sin θ-ρφ′sin φco s φcos θ+ρsin 2φcos θ
)(y 0-n |t |sin φsin θ)(ρθ′co s θ+ρφ′sin φcos φco s θ-ρsin 2φco s θ)+n |t |sin φcos θ,y =y 0,z =(-ρφ′sin 2φcos φcos θ+ρsin φcos φ
)(y 0-n |t |sin φsin θ)(ρθ′co s θ+ρφ′sin φco s φco s θ-ρsin 2φco s θ)+n |t |co s φ
;
(3)其中|t |根据后文的边界条件可写成简单的表达式.这个方程组可以直接用在外表面自由曲面,内表面是半球面的第一类透镜结构中.
1.3 能量对应的拓扑关系
建立好照明透镜的光学模型并选定一种透镜结构后,还要确定光源空间能量分布与经透镜后的出射光的能量分布的对应关系,也就是由折射定律建立的方程的边界条件.根据光通量守恒而为使得能量利用最大化,必须采取一种约束方法,使得光源空间光能量分布与受照面上的照度的联系满足下式[13]:
∫∫ΩI (I n (θ,φ))d Ω=∫∫v (Ω)E (t (x ,y ,z ))d s.(4)
其中I (I n (θ,φ
))表示光源在I n (θ,φ)方向的光强,E (t (x ,y ,z ))表示在受照面上点t (x ,y ,z )位置的照度,Ω是对光源积分的立体角,v (Ω)是对应于光源Ω立体角的受照面上的面积.
光源空间能量分布与经透镜后的出射光的能量分布的对应关系很自然地可以有两种方式[627,9210]:一是以赤道某一点为中心按其经线与纬线的自然划分进行的经纬网格对应,见图5;二是以两极为中心在不同的经度由高纬度向低纬度逐渐展开的辐射环带对应,见图6,表述时借用了地理名词.对应关系不同,(4)式形式也不相同.应该看到,在确定了对应关系后,(4)式本质上建立了光源的任意一条光线与受照面上的点一一对应的数值关系.联立(3)式和变形后的(4)式即可通过数值求解得到所需设计的透镜曲面的数值,再通过三维CAD 软件的逆向工程得到透镜的自由曲面进而得到实体
.
2 自由曲面透镜设计实例
这一部分将介绍同样实现均匀矩形光斑而出现的几个不同透镜形式的设计实例.因为只要透镜结构与能量对应关系两者之一发生变化,则透镜形式就会大不相同.比如说实例一和实例三均采用图3所示的透镜结构,而能量对应方式前者采用的是图5所示的经纬网格对应,后者采用图6所示的辐射环带对应,而最后透镜形式迥异.
2.1 实例一
采用光强呈朗伯分布的L ED 光源,放置于坐标系的原点,中心轴在y 轴上.采用图5所示的经纬网格对应.图7(见第84页)为该实例的光路示意图.由于光源光线经两次折射,所以连续使用两次折射定律.由(1)式有
3
8 第1期江 程等:自由曲面照明透镜的应用研究
图7 实例一光路示意图
Fig.7 Sketch of the light path for Exam.1 [1+n2-2n(A2?A1)]1/2N1=n A2-A1,(5)
[1+n2-2n(A3?A2)]1/2N2=A3-n A2.(6)
且由于外表面为平面,故知N2=(0,-1,0),(5)式(6)式
经前文提及的两次模型近似简化后可删去A2,整理成入
射光线A1和出射光线A3的关系式.
已知光通量守恒计算式(4)式可变形为(7)式:
∫π/2-φπ/2∫π/2-θπ/2I(I n(θ,φ))sinφdθdφ
=∫x0+Δx x0∫z0+Δz z0E(t(x0+Δx,z0+Δz))d x d z.
(7)
令矩形的长宽分别为l、w.由已知L ED的光强分布
为I(α)=I cos(α),即I(In(θ,φ))=I sinφsinθ,
又观测面的等照度分布,且中心在y轴上,即令E(t(x0+Δx,z0+Δz))=E,x0=0,z0=0.
又由对应关系知,
当(Δx,Δz)=(l/2,w/2)时,(θ,φ)=(π/2,π/2).
当(Δx,Δz)=(C1,Δz)时,
(θ,φ)=(C2,φ),C1和C2均为实常数
当(Δx,Δz)=(Δx,C3)时,
(θ,φ)=(θ,C4),C3和C4均为实常数
通过上述计算式,可以得到x=x(θ,φ),y=y0,z=z(θ,φ)
.
图8 实例一的透镜实体图
Fig.8 Stereogram of Exam.1而另外|t|=x2+y20+z2,
所以由上述几个方程组式即可化简成关于ρ(θ,
φ)的偏微分方程组.通过有限差分数值计算可以得
到所需设计的自由曲面.通过CAD软件建模得如图
8所示实体.考虑到大角度的光线有逃逸,没有经透
镜调制直接出射,能量会有很大损失,为避免这种透
镜结构的缺陷,实际使用时,根据透镜的固定方式的
需要,可以在实体模型上加上全反射的透镜底座,一
则起固定作用,二则可对大角度光线进行合适配光
加以利用.图9是加了透镜底座后的照度图.
图9 实例一的透镜仿真结果
Fig.9 Simulation result s of t he1st lens
48复旦学报(自然科学版) 第49卷
2.2 实例二
实例二中采用图1所示的透镜结构,和图5所示的经纬网格能量对应方式.按照上述所说的单面自由曲面的透镜步骤,根据折射定律方程(可以直接应用(3)式方程组)和能量对应关系方程可以求解得外表面数值点,建模后实体图如图10,图11为实例二透镜的实际照片,图12为实例二透镜的照度图.可以看到所有光线几乎都被约束在预期的矩形光斑内,能量基本没有浪费.这种透镜结构也是在单面自由曲面照明透镜的研究中使用较多的结构,优点在于其能量利用率高,理论上能对L ED 所有出射光线进行调制,并且光线穿过透镜时可以视为只经历一次折射,计算简单.缺点是但这种结构不适合用于设计出射光为小光束角的透镜,因为此时易发生全反射.这种结构也被称为光源浸没式结构[6,10].另外,有必要提到文献[11]作者采用了不同表达形式,也设计出了此透镜形式
.
2.3 实例三
实例三透镜是一个采用图3所示的透镜结构和图6所采用的辐射环带能量对应方式.图13是实例三的透镜的实体图,图14(见第86页)是实例三的照度图.可以看到,与实例一一样,大角度的光线没有经过透镜折射直接照射到观测面.故实际应用时设计杯壁结构使大角度光线经杯壁全反射到预期区域.图15和图16(见第86页)分别是2008年4月加工的透镜加上Cree 公司的L ED 点亮后的实际效果照片和实际灯杯照片.可以看到实际光斑与仿真效果有区别,这里除了注塑加工工艺误差外,还有L ED 在使用时很接近透镜,并非理想的点光源.
另外,还有第四种透镜形式,即采用透镜结构一与辐射环带能量映射的对应关系,在文献[9]中也研5
8 第1期江 程等:自由曲面照明透镜的应用研究
图13 实例三的透镜的实体图Fig.13 Stereogram of Exam.3
究出了较类似的设计过程,有兴趣的读者可参考.
由于L ED 体积小,发光芯片可近似看成点光
源,而且半平面空间出光等特点,非常适合采用自
由曲面光学设计.本文通过已研发成功的实现矩
形光斑的多种透镜形式,用以说明单面自由曲面
设计方法的思路.从文中例子可以看出,设计过程
速度快,效果好,设计思路流畅,是一种优越的设
计方法.利用自由曲面的光学设计能大大提高设
计的周期,无论是在投影显示、道路照明,还是特
殊照明,都大有可为
.值得注意的是,自由曲面照明透镜的研究还有很多工作要做,比如说对于不同结构透镜效率可以进一步探讨,对于单面自由曲面透镜其他结构可以进一步挖掘,对于能量映射的其他形式可以进一步研究.还有就是如何针对面光源设计自由曲面透镜,以及如何设计双面都是自由曲面的透镜,这两者是更为复杂、难度更高的研究课题了.
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R esearch in F ree2form Lens for G eneral I lluminating
J I ANG Cheng,J I ANGLei,CHE N Y u2yang,LI U Mu2qing
(I nstitute of Elect ric L i ght S ources,Fudan Universit y,S hanghai200433,China)
Abstract:A novel met hod is proposed for a secondary optical design,which helps designers to find a lens form such as to produce a desired illuminance distribution on a given target surface from a known point source.The method has been described in detail wit h every procedure,and several solved examples of t he rectangular form were presented.Itπs useful and practical to study t he freeform illuminating lens since a L ED is small enough to be taken as a point source.
K eyw ords:illuminating lens;free2form surface;point source;radiation mapping;mesh mapping 78
第1期江 程等:自由曲面照明透镜的应用研究
上海世博会中国馆夜景照明设计案例分析
上海世博会中国馆夜景照明设计案例分析 1、城市如何让生活更美好？ 城市不是破坏自然，而是返哺自然，城市的遗产是我们创作的源泉，有遗产的城市才是有文化的城市。城市的发展需要考虑和自然的和谐共生，这是前提。 所有的文明，都离不开人文，一座城市要让生活变得美好，前提除了拥有与自然和谐的优美环境外，最重要的是拥有良好的人文品质。概括的说就是：人文的城市，让生活更美好! 简单的说，前者是城市的物质文明，后者是城市的精神文明，一座城市必须达到物质和精神上的美好，才能让城市居住者的生活美好。 体现在中国馆的灯光设计，我们希望运用灯光让建筑与环境更加和谐，并充分展现城市和国家的人文魅力，给人以舒适的光环境和美的感受，给世博会留下珍贵的遗产和回忆，让上海因世博而更加美好。 2、灯光如何让城市更美好？ 建筑是城市的细胞，城市让生活更美好，首先应做到建筑和环境的美好。作为市民主要休息时段的夜晚，一个优美舒适的城市灯光夜空环境是至关重要的。 灯光如何让建筑更美好，主要表现在以下三个方面： ①.建筑灯光与环境的和谐 ②.展现建筑的人文魅力 ③.运用绿色照明的技术 和谐体现的是可持续的发展观，展现人类活动和自然环境的共荣共生； 人文体现的是建筑的文化内涵，展现凝结在建筑内的人类发展的历史和智慧； 绿色照明体现的是照明发展的最新科技，展现灯光照明技术在科技和人文关怀上的进步；
3、建筑灯光和环境的和谐 主题：内外交融 建筑和环境的融合：分析建筑立面累叠横梁与玻璃幕墙的形态结构，利用建筑结构与园林古典窗格的相似性，运用中国古典园林中漏窗借景的方法，突出建筑通透、开放的特色，使建筑的内外空间相互联系，使视觉效果呈现一种简洁的剪影效果，化整为零，从而达到建筑和环境的融合。 概念示意 灯光效果 照明方法：内透照明 4、展现建筑的人文魅力 文化和历史是建筑的灵魂，就象雷峰塔、断桥、白堤、苏堤与西湖的关系，如果没有了这些具有人文历史的建筑，西湖也就只是个天然的湖泊。 一以贯之，如果中国馆没有了丰富的人文历史内涵，就无从表达中国之冠，难以理解鼎盛中华，也没
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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/a012751404.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).
UG60-6自由曲面资料
自由形状建模模块培训
?自由形状特征（free form features）定义 自由形状特征是指那些不能利用体素、标准成形特征或含有直线、弧和二次曲线的草图构建的形状。
?自由形状特征（free form features）是CAD模块的重要组成部分。是高 端软件的重要标志。绝大多数实际产品的设计都离不开自由形状特征。 ?一般的设计过程：根据产品造型效果（或三维真实模型），进行曲面数据采样、曲线拟合、曲面构造，生成计算机三维实体模型，最后进行编辑和修改等。 ?几何体的形成：点---线，线---面，面---体。 因此，用好曲面的基础是曲线的构造。在构造曲线时应该尽可能仔细精确，避免缺陷，如曲线重叠、交叉、断点等，否则会造成后续加工的一系列问题。 ?好点---好线---好面。
曲面构造的一般方法 ?根据产品外形要求，首先建立用于构造曲面的边界曲线，或者根据实样测量的数据点生成曲线，使用UG提供的各种曲面构造方法构造曲面。 ?一般来讲，对于简单曲面，可以一次完成建模。而实际产品的形状往往比较复杂，一般都难于一次完成。 ?对于复杂的曲面，首先应该采用曲线构造方法生成主要或大面积的片体，然后进行曲面的过渡连接，光顺处理，曲面的编辑等方法完成整体造型。
全息片体（Smart Sheet）：就是指全参数化、全相关曲面。 ?在UG系统中，大多数命令所构造的曲面都具有参数化的特征，在Free Form Features中称为Smart Sheet。这类曲面的共同特点是都由曲线生成，曲面与曲线具有相关性，即当构造曲面的曲线编辑修改后，曲面会自动更新。
照明景观的大致分析
城市景观照明发展至今，各地照明设计人员积累了丰富的经验。规划、设计、施工、验收、管理、评价的各个环节似乎都有一定的模式和遵循的规范，很多优秀的典型案例也孕育而生。然而，我们回过头来，还有必要进行理性的思考，认真的总结，审视所做的规划是否如是执行，设计是否符合规范要求，工程的安全可靠性是否完全达标，节能指标是否符合国家要求等等。从设计的角度讲，设计的理念是否创新，方案是否优化，特别是方案的文字表述是否符合要求，方案设计文本是否规范化，标准化等等。 本文就城市景观照明设计方案在制定中应注意的问题进行了思考。 景观照明设计应思考的问题 考虑功能作用 建筑物的形象应能反映其功能性，如政府机关应比较庄重，不应像商场一样带有商业气息;居民点应创造出幽静的气氛;舞厅等娱乐场所应有欢快活泼的感觉，因此夜间用照明来表现建筑物的形象时应创造出相应的气氛和艺术风格。灯具的样式也应考虑被照对象的风格、社会历史背景。 考虑饰面材料 人对物体亮暗的感觉，主要取决于物体反射到人眼的光强，当材料表面反射系数很低时，或者材料表面所能反射的光谱与投射光色不符(如将绿光打在红墙上)，加大光通量以提高亮度，往往达不到预期效果而且浪费能源。因此在进行景观照明设计时饰面材料的性质也不能忽视。 考虑重点部位
重点部位的灯光应根据其特点进行设计，不但能使重点部位突出而且更具有个性。 考虑单体与整体的关系 景观照明设计必需有总体规划才能使整段群体有重点、有衬托、有韵律感，整个城市有风格、有品味。为达到此目的，单体设计应有整体观念，光的强弱和光色应和周围环境及被照射物在环境中的地位相协调，符合规划的要求，目前有些单位为突出自己标新立异，不顾周围环境，任意提高照度，滥用彩色光，容易造成浪费并破坏整体效果，是不允许的。主管理部门应根据规划对各单位提出要求及限制。 城市夜晚景观由各类景观元素构成，这些元素形成相互关联关系，如元素与元素的逻辑关系、拓扑关系，元素与总体之间的关系。这些关系不能用一种模式、一个类型来认识衡量。城市夜景灯光环境的特点是范围大，公众观察者的视觉范围不可能在某一时刻全面覆盖整个城市灯光景观，在形成印象方面，其顺序是局部先于整体，在形成局部印象与总体感觉方面存在着时间差。 应充分了解和把握城市景观元素的关联性与转承关系，巧妙用光和色调与强弱的协调变化。灯光布局要合理，总体协调，重点突出，有详有略，层次分明。 考虑光的色彩 同样光色的光照射在不同颜色的对象上，所呈现的色彩不同，特别是有些环境白天观看时色彩丰富美观，用色光投射应特别加小心。另外由于夜间的光比白天的光暗很多，人们对光色的舒适感反应随着环境基本照度的高低而有差别。例如在白天，一大片绿地，给人的是青春、活力、具有生气的感觉，然而到夜晚一片绿光往往会造成阴森寒冷的感觉。同时色光投射在建筑上常常是大面积的，而色块面积的大小对人的心理反应是有一定影响的，
自由曲线曲面的基本原理(上)
自由曲线曲面的基本原理（上） 浙江黄岩华日（集团）公司梁建国 浙江大学单岩 1 前言 曲面造型是三维造型中的高级技术，也是逆向造型（三坐标点测绘）的基础。作为一个高水平的三维造型工程师，有必要了解一些自由曲线和曲面的基本常识，主要是因为：（1）可以帮助了解CAD/CAM软件中曲面造型功能选项的意义，以便正确选择使用；（2）可以帮助处理在曲面造型中遇到的一些问题。由于自由曲线和自由曲面涉及的较强的几何知识背景，因此一般造型人员往往无法了解其内在的原理，在使用软件中的曲（线）面造型功能时常常是知其然不知其所以然。从而难以有效提高技术水平。 针对这一问题，本文以直观形象的方式向读者介绍自由曲线（面）的基本原理，并在此基础上对CAD/CAM软件中若干曲面造型功能的使用作一简单说明，使读者初步体会到背景知识对造型技术的促进作用。 2 曲线（面）的参数化表达 一般情况下，我们表达曲线(面)的方式有以下三种： （1）显式表达 曲线的显式表达为y=f(x)，其中x坐标为自变量，y坐标是x坐标的函数。曲面的显式表达为z=f(x,y)。在显式表达中，各个坐标之间的关系非常直观明了。如在曲线表达中，只要确定了自变量x，则y的值可立即得到。如图1所示的直线和正弦曲线的表达式就是显式的。
曲线的隐式表达为f(x,y)=0，曲面的隐式表达为f(x,y,z)=0。显然，这里各个坐标之间的关系并不十分直观。如在曲线的隐式表达中确定其中一个坐标（如x ）的值并不一定能轻易地得到另外一个（如y ）的值。图2所示的圆和椭圆曲线的表达式就是隐式的。 图2 （3） 参数化表达 曲线的参数表达为x=f(t);y=g(t)。曲面的参数表达为x=f(u,v);y=g(u,v);z=g(u,v)。这时各个坐标变量之间的关系更不明显了，它们是通过一个（t ）或几个（u,v ）中间变量来间接地确定其间的关系。这些中间变量就称为参数，它们的取值范围就叫参数域。 显然，所有的显式表达都可以转化为参数表达，如在图1所示的直线表达式中令x=t 则立即可有y=t 。于是完成了显式表达到参数化表达的转换。由此，我 y 2 x 2/a
(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)
灯光设计案例
照明案例分析 学号：31110092 姓名：南露策 班级：环艺1103
设计单位：光环境设计研究所 项目负责人：荣浩磊 参与人员：荣浩磊，李丽，吴威，马烨 项目背景 中国国家博物馆（National Museum of China）位于北京市中心天安门广场东侧，东长安街南侧，与人民大会堂东西相对称，是一座系统展示中华民族文化历史的综合性博物馆，也是世界上最大的博物馆之一。国博藏品数量为100余万件，集收藏、研究、展览于一体。
设计单位：光环境设计研究所 项目负责人：荣浩磊 参与人员：荣浩磊，李丽，吴威，马烨 照明设计理念 国家博物馆位于天安门广场，毗邻故宫和人民大会堂。建筑照明不仅要展现整体建筑流畅的夜间景观,又要体现建筑的个体风格.建筑照明设计的整体亮度、色彩及控制模式遵从长安街区域照明专项规划的内容要求. 为避免照明使建筑变得过于单一、呆板. 塑造建筑照明层次，构建建筑的光形几何，尤为关键。作为国家博物馆的重要建筑元素，建筑两端转角立柱与蒙古包为重要的照明塑造的几何面，中间连接幕墙面以次等级亮度的泛光形式洗亮，这样分化出整个建筑大的光度层级；新馆与老馆的顶部飞檐上设置的照明，强调建筑纵向光度层级和局部建筑细节的特征描写；各出入口处的内廊照明则是增加建筑光度层次新的元素；西面主入口的徽章照明起到画龙点睛的作用，突出建筑中心元素。
设计单位：光环境设计研究所 项目负责人：荣浩磊 参与人员：荣浩磊，李丽，吴威，马烨博物馆照明类型分析
照明设计分析 ·利用漫反射营造出很好的氛围，暖色灯光和窗户外打进的冷色自然光形成对比。在白色墙体为主的情况下，形成一种博物馆庄重的感觉。 ·灯光照明与建筑结构相结合，发光顶棚均匀的镶嵌在吊顶的固定位置，使得照明均匀一致，任何地方都光线充足。 设计单位：光环境设计研究所项目负责人：荣浩磊 参与人员：荣浩磊，李丽，吴威，马烨 漫射照明 直接照明 自然光
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/a012751404.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
(完整版)服装专卖店灯光设计案例分析
服装专卖店灯光设计案例分析 随着终端营销系统的不断深入和发展，卖场设计越来越成为各个世界知名品牌的重头戏，国内的服饰品牌也紧跟其潮流，而超大卖场的空间设计成为展示品牌个性的最佳方式。超大卖场或专卖店其本身就是市场调查部门，是企业产品设计、营销规划、管理销售网络的指南。 卖场产品的陈列艺术不亚于产品本身，正因为其超大卖场的重要性，它不只是展示产品的空间，更是时尚生活的一种理念。 许多世界知名品牌将注意力集中在先锋派建筑设计理念上，聘请一些著名设计事务所(比如荷兰的OMA)用更现代和创新的方式去诠释当代购物理念。一些国际先锋品牌在卖场利用高科技在“视觉”、“听觉”、“味觉”、“触觉”上不断地创新和扩展终端营销系统的边界。 在卖场营销中，灯光设计的采用就像货架陈列一样，是卖场中的一部分，甚至在大型的旗舰店中起着举足轻重的作用。如ARMANI、GUCCI、KENZO、LOEWE、BOSS 等国际知名品牌的设计师在灯光设计上更是做足了文章，利用大量的戏剧化的灯光设计创造了许多难以置信的卖场氛围。 根据照明的要求，我们要突出某个展示物品就必须为该物品设置重点照明，通过照度大小来强调其展示程度意义，除了照度以外，我们还需要考虑主观亮度（照度高，我们客户所见到的展示物品不一定亮，客户所见到的亮度的大小与展示物品本身材料和背景环境亮度都有很大关系），主观亮度对比，通常比客观照度对比要低。值得注意的是，我们通常可以通过降低普通照明而不是提高重
点照明来达到照度比，这种方法是最为有效的。在开架式服务的自主商店里（大众化卖场），就很难营造出戏剧化的照明效果出来，因为其普通照度值太高。无论是大众卖场还是专卖店在使用重点照明时，我们不能一味的只追求重点照明的亮度。通过提高重点照明来表现自己商品的展示效果，经实验证明这并不是一种很好的途径。 当需要显示出物体的真实颜色时，发光体的光谱分布最为关键，产生肯定适用于皮革、纺织品的情况。许多设计师喜欢在同一处采用了各种不同类型的光源，其实在大多数情况下，我们都应该注意颜色性能特点的互相补充，如对颜色一致性要求较高，则应该避免混合使用不同的光源。 在卖场的灯光设计中，对于卖场的整体灯光设计，考虑最多的是灯光的冷暖心理效应。从温度和季节的变化来考虑，在炎热的夏天，顾客对色彩的需求偏向于冷色调。而在寒冷的冬天，顾客对色彩的需求更倾向于暖色调的，给人以温暖感。而生产的其它心理效应，比如轻与重，华丽与朴实，一般的顾客很少能够感受到(与卖场的市场定位也有关系，一般定位比较高的对灯光的要求也比较高)视觉色彩的冷暖感受，是由于人们的心理联想而产生的。特别是在当季的气候、温度以及节庆促销等因素的影响下，对灯光的色彩冷暖的强调和偏向就更加明显了. 商业空间的灯光配置一般分为三种，基础照明、重点照明和装饰照明，在服饰商品的零售空间领域里也不例外。 无论是展示设计师还是照明设计师首先要明白，什么样的品牌做什么样的灯光设计，设计得是否成功取决于顾客在进入卖场后能不能产生联想。品牌理念和卖场主题是整个系统的中心，其它程序设置必须围绕着中心，所以在进行灯光设计时，必须与品牌的理念和卖场主题相适合。 为了分析得更清楚，让我们用以下三种时装和饰品店为例： 1.高级品牌专卖店 相对较低的基本照度（300LUX），暖色调（2500-3000K）和很好的显色性（Ra>90）。使用许多装饰性射灯营造戏剧性效果（AF 15-30:1），以吸引消费者对最新流行时尚的注意，并配合专卖店的氛围。 2.普通时装店 平均照度为（300-500 LUX），自然色调（3000-3500K）和很好的显色性
第4章 自由曲线与曲面建模
CAD/CAM
CAD/CAM
典型机械零件
CAD/CAM技术基础 —第4章 自由曲线与自由曲面建模
天津大学机械工程学院 产品设计与制造技术研究所 陈永亮
曲线曲面
1
曲线曲面
2
CAD/CAM
典型机构
CAD/CAM
圆柱齿轮
曲线曲面
3
曲线曲面
4
CAD/CAM
蜗轮蜗杆
CAD/CAM
锥齿轮
弧齿锥齿轮
摆线锥齿轮
曲线曲面
5
面齿轮
曲线曲面
6
1
CAD/CAM
? ? ? ? 齿轮类零件 涡轮类零件 凸轮类零件 叶轮叶片类零件
离心压缩机叶轮
CAD/CAM
曲线曲面
7
曲线曲面
8
CAD/CAM
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
圆的参数方程
? ? ? ? ? ? ? ?
曲线曲面
9
CAD/CAM
渐开线的参数方程
例1：圆 参数方程文件：Rel.ptd /* 为笛卡儿坐标系输入参数方程 /*根据t (将从0变到1) 对x, y和z /* 例如:对在 x-y平面的一个圆，中心在原点 /* 半径 = 50，参数方程将是: db=100 rb=db/2 x = rb * cos ( t * 360 ) y = rb* sin ( t * 360 ) z=0
例2：渐开线 1）采用直角坐标系 db=100 rb=db/2 u =t* 45 x=rb*cos(u)+rb* sin(u)*u* pi/180 y=rb* sin(u)-rb*cos(u)* u* pi/180 z=0
曲线曲面 10
CAD/CAM
渐开线的参数方程
CAD/CAM
渐开线的参数方程
rb-基圆半径 u=45t t-参数 ,[0,1]
曲线曲面 11
db=100 rb=db/2 u =t* 45 x=rb*cos(u)+rb* sin(u)*u* pi/180 y=rb* sin(u)-rb*cos(u)* u* pi/180 z=0
曲线曲面 12
2
自由曲线及曲面word版
第九章自由曲线及曲面的加工 第一节概述 经数学处理 直线或圆弧 逼近 第二节曲线、曲面加工的基础知识一、基点和节点 基点——零件上各几何元素间的连接点（宏观）节点——被分割的逼近线段间的交点或切点（微观）求节点坐标值：求分割后逼近线段间的交点或切点坐标值，是粗插补的重要组成部分；也是完成精插补运算的依据。精确计算节点坐标值，才能按要求走出预期的轨迹。 [注] 数据采样法中圆弧插补时的分割线段是等长均布的。
二、非圆曲线节点坐标的计算 非圆曲线——除直线和圆弧之外，可以用数学方程 式表达的平面轮廓曲线。 非圆曲线的计算步骤： 1）选择插补形式 直线段逼近——数学处理简单、加工精度较低； 圆弧段逼近——数学处理较复杂、加工精度较高。2）确定编程允许误差 取零件公差的1/5 ~ 1/10 。 3）确定计算方法 即后面将提及的计算方法的确定。 4）画计算机处理流程图 5）用高级语言编写程序，完成计算
下面介绍两种常用的处理平面非轮廓曲线的方法： 1．弦线逼近法 对于弦线逼近曲线而言，弦线越短，则逼近误差越小，但弦线越短，弦线数量则越多；若弦线长度不变，则曲率越大处逼近误差越大。
（1）等插补段法（等步长法） 如上a）图，以确保最大曲率处精度为原则，将各插补段长度取得相等，这使得线段处理上比较简单，但插补工作量较大。 插补工作量增大，意味着成本提高。同时，此法使精度提高，但是，这个提高，是超过要求的提高，这是需要引起设计人员注意的。 （2）等插补误差法 如上b）图，按照规定的精度要求，使各插补段的误差相等，这就使插补段长度不等，显然，插补段数是减少的。 大型零件的插补工作量极大，这时减少插补段数意义重大。 2．圆弧逼近法 先采用弦线逼近法求出节点坐标，再利用节点做圆，使逼近线段不是直线而是圆弧。 此法显然比弦线逼近法具有更高的精度，但线段处理比较复杂。
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
影剧院照明设计案例分析
影剧院照明设计案例分析 影剧院照明设计案例分析 摘要：文章从（影）剧院的照明质量、不同功能区的照明设计以及调光控制等方面介绍了（影）剧院照明设计中的一些体会。 关键词：剧院；舞台灯光；调光；低电压照明；（影）剧院建筑为艺术创作提供了良好的条件，舞台照明的分类是否合适，对人的观感起着相当大的作用，直接影响到戏剧等的表演效果。舞台照明贵在突出视觉、写实、审美和表达这四大要素，这一切都要靠和谐的灯光来衬托。 1 照明质量 1.1 照度水平 1.1.1 照度标准 关于照度标准的确定，表1中列出了我国现行规范中的（影）剧院照度标准值。 从表1中可以看出，国家规范对舞台照度没有明确规定，这是因为舞台的照度标准没有一定的模式。因其剧种和艺术风格的不同，要求的照度也不尽相同，从而使布灯方式也不尽相同。因此在设计过程中，只要条件允许，尽可能地将灯种配足，供灯光师们选用。 1.1.2 照度均匀度 对于观众厅、休息厅、化妆室等处的一般照明，照度均匀度应大于０．７。作为音乐厅使用时，以均匀的白色光为宜；作为会议、演讲厅使用时，讲台需要均匀的白色光；古典戏剧、芭蕾的背景比较丰富，则需要部分比较均匀的照明。 1.2 色温和显色性 剧院照明的多方向性、观众试看时间的长久性构成了光照功能和舒适性的高标准。在设计过程中既要满足舞台灯光多变的要求，又不能使观众产生疲劳感，必须选择色温和显色性合适的灯具。实践证明，舞台使用色温为３０００Ｋ的灯泡比较合适。 1.3 眩光限值 照明设计中，应避免光柱投射的范围包括观众眼部，对观众产生刺眼的眩光，影响观看。 在照明设计中，一般对舞台边缘来说，内侧布光角度需提高到５５°，光圈不宜超过前排观众的膝部。也就是说，在伸出舞台横剖面上的灯位间距，一般应根据投光角５５°的原则来确定。
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