Geometrická optika. Konštruovanie a dizajn svietidiel, prednášky Ing. Róbert Fric, PhD., Katedra mechaniky FEI STU Bratislava, 2008

Transcript

1 Geometrická optika

2 2 Základné hypotézy geometrickej optiky Vhomogénnom prostredí sa svetlo šíri priamočiaro Daným bodom priestoru môže súčasne prechádzať ľubovoľné množstvo svetelných lúčov bez toho, aby sa vzájomne ovplyvňovali Ak sa smer šírenia svetla zmení na opačný, svetlo sa vracia späť tou istou cestou, ktorou postupovalo pôvodne

3 Zákon odrazu svetla 3 θ = θ r i

4 Snellov zákon lomu svetla 4 n n 2 = sinθ sinθ 2 Brewsterov uhol: θ c = arcsin n 2 n

5 5 Rozptylové filtre

6 Rotácia 6 Číry bez rozptylu Symetrický rozptyl

7 Posuv 7 Vertikálny (alebo horizontálny) rozptyl Obojsmerne definovaný rozptyl

8 Návrh rozptylového filtra (Konštrukcia tvoriacej krivky) 8 Základná rovnica šošovky (elementu): s = R n d n s ohnisková vzdialenosť šošovky R polomer šošovky d hrúbka šošovky n index lomu materiálu

9 Výpočet ohniskovej vzdialenosti elementu (šošovka) 9 vstupy: uhlový rozptyl filtra a s = 2 veľkosť segmentu x tg α 2 e iteračný výpočet: e=0 vprvom kroku x a) elementy na vonkajšej strane: R = s( n )

10 0 b) elementy na vnútornej strane: R = sn + d s d n

11 Fresnelova šošovka

12 Návrh fresnelovej šošovky 2 Vstupné údaje: vzdialenosť svetelného zdroja od šošovky s maximálna hrúbka šošovky d podkladová vrstva šošovky t výška refrakčných hranolov t 2 index lomu materiálu šošovky n na ktorej strane budú refrakčné hranoly

13 Konštrukcia centrálneho elementu 3 Polomer spojky: R ( d )( ) ( ) = s + n 0 n Stred kružnice: x R = z R0 = 0 s + t + t R

14 4 Súradnice limitného bodu x = s + M z M 0 = R t 2 0 M 0 ( ) R t Súradnice bodu M 0 x M = s 0 z = M 0 x M 0 0 M 0 s z

15 5 Posledný lúč základného segmentu i 0 = arccos x sin i n M 0 i0 = arcsin x 0 M 0 + z M 0 Súradnice bodu x = s + t + M M z = z + + M M 0 t 2 ( t t ) tg i 2 0

16 Konštrukcia refrakčných hranolov Metóda: konštantný krok uhla dopadajúceho lúča (Alternatíva: konšt. vzdialenosť krajných bodov) ) Určenie krajných bodov i i = i i 0 t t i 6 Súradnice limitného bodu M x = s M z M = s tani Lúč cez M sin i = arcsin n i

17 2) Určenie vonkajšej plochy elementu 7 i 2 = arctg sin cos i ( n i ) i 20 = arctg sin cos i 0 ( n i ) 0

18 8 Polomer krivosti Stred kružnice R = cosi t 2real cosi 20 2 zr = z sin M + h i2 R M S R x R = s + t cosi 2 R

19 9 História a súčasnosť analýzy optických sústav

20 Analýza optických sústav v histórii až 9. storočie: tienidlá aclonky olejových lámp = primitívne optické systémy 885 (Daimler): signalizačné osv. a dopravnéprostriedky: jednoduchý optický systém koniec 9.storočia: elektrické zdroje svetla: = potreba zložitejšieho optického systému rýchly vývoj kvality svetelných zdrojov, odrazných materiálov...potreba podrobnej analýzy optických systémov -grafické nákresy šírenia svetla začiatok 20. stor: diferenciálna rovnica odrazu ruská škola: N.G. Boldyrev, V.D. Komissarov., unás: V.V.Trembač, P.Horňák -presný výpočet chodu lúčov hľadanie spôsobov analýzy a syntézy reflektorovej plochy

21 Analýza optických sústav v histórii uvažovanie neizotropného svetel. zdroja (J.S.Schuben) (indikatrixy rozptylu,...) 2 zohľadnenie reálnych rozmerov zdroja: metóda elementárnych zobrazení (u nás: P.Horňák, J.Veselovský) pokusy využitia vyšších kriviek koniec 20. stor: výrazný nárast výkonu výpočtovej techniky = simulačné nástroje pre optické systémy (rôzne úrovne a postupy) virtuálne prototypovanie (CAD softvéry: I-deas, Catia, SolidEdge) virtuálne modelovanie (optické CAD a CAE...) súčasnosť: rôznorodé požiadavky na optické sústavy -všeobecné osvetľovanie -exteriéry, projekcia, komunikácie -automobilové svietidlá...jednoduché prístupy vs. zložitá analýza a optimalizácia

22 Dizajn svietidiel v súčasnosti 22 PROCES návrhu svietidla. Špecifikácia úlohy (formulácia požiadaviek) -optické nároky -rozmery, hmotnosť -spotreba -oteplenie 2. Definovanie optických vlastností -voľba konštrukčných materiálov -výber odrazných, difúznych, prestupných alebo cloniacich povrchov 3. Koncepčný návrh (technický) -prvé rozvrhnutie optického systému (vychádza zo známych princípov a skúseností,...) -vytvorenie virtuálneho modelu -rýcha optická analýza (málo lúčov, približné výpočty)

23 Dizajn svietidiel v súčasnosti Analýza optického systému a jeho optimalizácia -podrobná analýza šírenia lúčov (veľa lúčov, dlhé výpočty) -svetelnotechnické výpočty (svietivosť, tok, účinnosť, farba svetla) -optimalizácia (zásahy svetelného inžiniera) 5. Výrobná analýza optiky -mechanická analýza optického systému -analýza výrobnej tolerancie optiky -teplotná analýza zdroja svetla a optiky -optimalizácia (zásahy konštrukčného inžiniera) 6. Návrh a analýza celého svietidla -elektrický návrh + testy -mechanické atepelné výpočty konštrukčných častí (tesnenia, vibrácie, tiaž, vietor, teplo a chlad...)

24 Literatúra: 24 [] VESELOVSKÝ, J.: Svietidlá Základy výpočtu a konštruovania. ES SVŠT v Bratislave 982. [2] HORŇÁK, P.- TREMBAČ, V.V.- AJZEMBERG, J.B.: Svietidlá a svetelné zdroje. Alfa Bratislava 983. [3] GAŠPAROVSKÝ,D.: Diferenciálna rovnica reflektorovej plochy svietidiel. In: Medzinárodná konferencia Svetlo 97, PKO Bratislava , SSTS Bratislava 997, s [4] GALANOVÁ, J., PASTUCHOVÁ, E., SMOLA, A.: Využitie neštandardných kriviek pre tvoriace krivky reflektorových plôch. In: Osvetlovacia technika, 200, č., s..