Taming light energy
La luz, exactamente donde usted la quiere
RayMapr calcula la forma de las lentes y los espejos que dirigen la luz de un LED hacia la zona que se quiere iluminar, y a ningún otro sitio. Incluso cuando el haz debe detenerse en seco.
¿Un problema de óptica difícil de resolver?
Un LED ilumina en todas direcciones
Un LED emite su luz en un cono amplio. Para convertirlo en una luz de cruce, una farola o un proyector, hace falta una óptica que la redistribuya según una fotometría precisa: mucha luz donde se necesita, poca o ninguna en el resto.
El caso más exigente es la línea de corte: un haz intenso por debajo de una línea, casi nada por encima, para no deslumbrar. Todavía se obtiene a menudo colocando una máscara delante de la fuente. La máscara corta con nitidez, pero detiene la luz en lugar de redirigirla. La energía perdida se paga en LED, en vatios y en calor.
Diseñar una óptica no formadora de imágenes que lo haga mejor sigue siendo un trabajo de ensayo y error, que a menudo lleva varias semanas por proyecto. RayMapr aporta soluciones para reducir drásticamente este tiempo de diseño.
Nuestro enfoque
RayMapr parte del otro extremo del problema. Se describe la fuente real, un LED de tamaño finito y no un punto ideal, y después la distribución de luz deseada sobre la zona que se quiere iluminar. Nuestro software calcula las superficies de forma libre (freeform) que transportan una sobre la otra: cada rayo se envía a su sitio, no se enmascara nada.
Este cálculo se basa en el transporte óptimo, una teoría matemática nacida con Monge en el siglo XVIII, y en más de diez años de investigación. Se ejecuta en GPU, donde se trazan millones de rayos en paralelo. El resultado es un componente óptico formado por superficies lisas, descritas en NURBS como en CAD: se abre en las herramientas de diseño mecánico y pasa al mecanizado o al moldeo por inyección sin conversión.
Aplicaciones
Un conjunto de métodos para todas las ópticas complejas: se describe la fuente y la distribución objetivo deseada, y RayMapr calcula el componente óptico que la produce. Lente o espejo, una o varias superficies de forma libre. Los objetivos pueden ser densidades discretas o continuas: desde las normas más estrictas, con margen, hasta imágenes completas.
- Lente de forma libre
- Lentes TIR
- Línea de corte nítida
- Iluminación artística
- Arquitectura y monumentos
- Óptica formadora de imágenes
Dos superficies libres, calculadas a la vez
Con una superficie libre, se elige adónde va la luz, pero se sufren las pérdidas de Fresnel. Con dos, también se optimiza la distribución de la energía. Nuestra cadena de cálculo optimiza varias superficies de forma global. Abajo, una lente calculada para una lámpara suspendida sobre un cruce de pasillos de almacén en forma de T.
Cinco superficies, todas de forma libre
Una lente de reflexión interna total (TIR) recoge la luz de un LED por dos caminos: el centro atraviesa una pequeña lente y los bordes se redirigen por reflexión interna total en el flanco. Eso suma cinco superficies ópticas: la entrada y la salida del centro, la entrada lateral, el flanco reflectante y la corona de salida.
Las herramientas habituales fijan la mayoría como perfiles de revolución con unos pocos parámetros y solo optimizan el resto. RayMapr calcula las cinco superficies como superficies de forma libre, sin simetría impuesta, a partir del haz solicitado: un disco, un cuadrado uniforme, una franja. La pieza mantiene las mismas dimensiones y se puede desmoldar.
La línea de corte está en la superficie, no delante
Luces de cruce, faros de bicicleta, faros de tren: las normas exigen una línea de corte nítida, mucha luz por debajo y casi nada por encima. La solución habitual coloca una máscara delante de la fuente y pierde toda la luz que esta detiene.
RayMapr forma la línea de corte con la propia superficie: cada rayo del LED se envía a su sitio, por debajo de la línea. Sin máscara, no se pierde luz, y queda margen respecto a la norma en lugar de un ajuste al límite. Los objetivos son los de los reglamentos: ONU R149 y FMVSS 108 para la automoción, StVZO e ISO 6742-1 para la bicicleta, EN 15153-1 para el ferrocarril, EN 13201 para el alumbrado viario.
Toda la luz compone la imagen
Un gobo o una plantilla forma una imagen deteniendo la luz: todo lo que queda fuera del dibujo se pierde. Una óptica calculada no bloquea nada: redistribuye la luz para que toda la energía de la fuente componga la imagen, degradados incluidos. Una lente proyecta un carácter; un espejo, al sol, pinta un retrato en una pared sin electricidad alguna. El dibujo es el dato de entrada; la superficie, el resultado.
Realzar un edificio
Un edificio iluminado con un haz amplio ilumina también el cielo, los tejados vecinos y las ventanas de los residentes. Una óptica calculada para la fachada pone la luz sobre la piedra y en ningún otro sitio: menos potencia, sin halo y un dibujo de luz que sigue la arquitectura. Al sol, un espejo de forma libre puede incluso sustituir al proyector.
¿Y sus problemas de formación de imágenes?
RayMapr nació en la óptica no formadora de imágenes: no se forma una imagen, se reparte la energía. Pero las herramientas son las mismas al otro lado de la frontera: superficies de forma libre, trazado masivo de rayos en GPU, optimización global de varias superficies a la vez, salida en NURBS. Ópticas de forma libre fuera de eje para un visualizador frontal (head-up display) o un casco de realidad aumentada, un objetivo de gradiente de índice (GRIN) en el que los rayos se curvan dentro del material, una metasuperficie cuyo perfil de fase hay que calcular, un sistema cuyas aberraciones hay que corregir en todo el campo: las preguntas cambian, los métodos se trasladan.
Nos gustaría mucho conocer mejor sus problemáticas de formación de imágenes. Escríbanos: haremos todo lo posible para ayudarle a desarrollar sus ópticas formadoras de imágenes.
RayMapr en cifras
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>70%
de la luz del LED en el haz útil, con una óptica con línea de corte calculada por RayMapr.
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<30%
a menudo, con las soluciones de máscara, que ocultan una parte de la fuente para formar la línea de corte.
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>10 años
de investigación en transporte óptimo aplicado a la óptica, desde 2012.
El equipo
Dos matemáticos especialistas en transporte óptimo y un ingeniero de computación de alto rendimiento, que trabajan juntos en óptica de forma libre desde 2020.
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Boris Thibert
Presidente
Boris Thibert es catedrático de Matemáticas Aplicadas en la Université Grenoble Alpes, en el Laboratoire Jean Kuntzmann. Es experto en geometría aplicada y transporte óptimo para el diseño de ópticas.
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Jean-Baptiste Keck
Director general y director técnico
Jean-Baptiste Keck es ingeniero y doctor en Matemáticas Aplicadas. Experto en computación distribuida en GPU y métodos numéricos, es el desarrollador principal del software RayMapr desde 2020.
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Quentin Mérigot
Asesor científico
Quentin Mérigot es catedrático de Matemáticas Aplicadas en la Université Paris-Saclay, en el Institut de mathématique d’Orsay, y en la École normale supérieure. Es experto en transporte óptimo y métodos numéricos.
La investigación detrás de RayMapr
RayMapr se apoya en trabajos publicados, realizados en el Laboratoire Jean Kuntzmann (Université Grenoble Alpes) y en Orsay (Université Paris-Saclay), Francia. Una selección:
- J. Meyron, Q. Mérigot, B. Thibert Light in power: a general and parameter-free algorithm for caustic design ACM Transactions on Graphics, 37(6)2018
- Q. Mérigot, B. Thibert Mirrors, lenses and Monge–Ampère equations European Mathematical Society Magazine, 1202021
- J. Kitagawa, Q. Mérigot, B. Thibert Convergence of a Newton algorithm for semi-discrete optimal transport Journal of the European Mathematical Society, 21(9)2019
- Q. Mérigot, J. Meyron, B. Thibert An algorithm for optimal transport between a simplex soup and a point cloud SIAM Journal on Imaging Sciences, 11(2)2018
- Q. Mérigot, B. Thibert Optimal transport: discretization and algorithms Handbook of Numerical Analysis, vol. 22, Elsevier2021
Hablemos de su óptica
¿Una fuente, una fotometría objetivo, restricciones de espacio? Descríbanos su caso: le diremos lo que nuestra experiencia puede aportarle. RayMapr es una empresa en proceso de constitución en Grenoble (Francia); su inscripción en el registro mercantil está prevista para enero de 2027.