Невизуальная оптика - Nonimaging optics - Wikipedia

Невизуальная оптика (также называемый анидольная оптика)^[1][2][3] это филиал оптика озабочены оптимальной передачей свет излучение между источником и целью. В отличие от традиционной оптики формирования изображений, используемые методы не пытаются сформировать изображение источника; вместо этого оптимизированная оптическая система для оптимального перенос излучения от источника к цели желательно.

Приложения

Две конструктивные проблемы, которые оптика без визуализации решает лучше, чем оптика с визуализацией:^[4]

• концентрация солнечной энергии: максимальное увеличение количества энергии, подаваемой на приемник, обычно солнечный элемент или тепловой приемник
• освещение: управление распределением света, обычно так, чтобы он "равномерно" распределялся по одним областям и полностью блокировался от других областей.

Типичные переменные, которые необходимо оптимизировать для достижения цели, включают общую лучистый поток, угловое распределение оптического излучения и пространственное распределение оптического излучения. Эти переменные на целевой стороне оптической системы часто необходимо оптимизировать, одновременно учитывая эффективность сбора оптической системой у источника.

Концентрация солнечной энергии

Для заданной концентрации оптика без визуализации обеспечивает максимально широкий диапазон углы приема и поэтому они наиболее подходят для использования в солнечной концентрации, как, например, в концентрированная фотовольтаика. По сравнению с "традиционной" оптикой для визуализации (например, параболические отражатели или же линзы френеля ), основными преимуществами невизуальной оптики для концентрации солнечной энергии являются:^[5]

• Шире углы приема что приводит к более высоким допускам (и, следовательно, более высокой эффективности) для:
  • менее точное отслеживание
  • неидеально изготовленная оптика
  • неидеально собранные компоненты
  • движения системы из-за ветра
  • конечная жесткость несущей конструкции
  • деформация из-за старения
  • захват околосолнечной радиации
  • другие недостатки в системе
• более высокая солнечная концентрация
  • солнечные элементы меньшего размера (в концентрированная фотовольтаика )
  • более высокие температуры (в концентрированная солнечная тепловая энергия )
  • меньшие тепловые потери (в концентрированная солнечная тепловая энергия )
  • расширить область применения концентрированной солнечной энергии, например, для солнечных лазеров
• возможность равномерного освещения ствольной коробки
  • повысить надежность и эффективность солнечных элементов (в концентрированная фотовольтаика )
  • улучшить теплоотдачу (в концентрированная солнечная тепловая энергия )
• гибкость дизайна: различные виды оптики с разной геометрией могут быть адаптированы для различных приложений

Кроме того, для низких концентраций очень широкий углы приема невизуальной оптики можно избежать солнечное слежение всего или ограничьтесь несколькими позициями в год.

Главный недостаток невизуальной оптики по сравнению с параболические отражатели или же линзы френеля состоит в том, что при высоких концентрациях они обычно имеют еще одну оптическую поверхность, что немного снижает эффективность. Однако это заметно только тогда, когда оптика идеально направлена ​​на солнце, что обычно не так из-за недостатков в практических системах.

Оптика освещения

Примеры оптических устройств, не создающих изображения, включают оптические световоды, без изображения отражатели, без изображения линзы или комбинация этих устройств. Обычные применения не отображающей оптики включают многие области светотехники (освещение ). Примеры современных реализаций оптических конструкций, не создающих изображения, включают: автомобильные фары, ЖК-подсветка, с подсветкой приборная доска дисплеи, оптоволоконные осветительные приборы, светодиодные светильники, проекционные системы отображения и светильники.

По сравнению с "традиционными" методами проектирования, невизуальная оптика имеет следующие преимущества для освещения:

• лучшая обработка расширенных источников
• более компактная оптика
• возможности смешивания цветов
• сочетание источников света и распределение света в разные места
• хорошо подходит для использования со все более популярными ВЕЛ источники света
• устойчивость к изменениям относительного положения источника света и оптики

Примеры оптики без визуализации с использованием солнечной энергии: анидолическое освещение или же солнечные трубы.

Другие приложения

Сбор излучения, испускаемого столкновениями частиц высокой энергии, с использованием наименьшего количества фотоумножитель трубки.^[6]

Некоторые из методов проектирования оптики без формирования изображений также находят применение в устройствах формирования изображений, например, со сверхвысокой числовой апертурой.^[7]

Теория

Ранние академические исследования в области оптической математики без изображений, направленные на поиск решений в закрытой форме, были впервые опубликованы в виде учебника в 1978 году.^[8] В 2004 году был опубликован современный учебник, иллюстрирующий глубину и размах исследований и разработок в этой области.^[2] Подробное введение в эту область было опубликовано в 2008 году.^[1]

Специальные применения не отображающей оптики, например линзы Френеля для солнечной концентрации^[9] или солнечная концентрация в целом^[10] также были опубликованы, хотя эта последняя ссылка О'Галлахера описывает в основном работы, разработанные несколько десятилетий назад. Другие публикации включают главы из книг.^[11]

Оптика формирования изображений может концентрировать солнечный свет в лучшем случае в том же потоке, что и на поверхности Солнца. Было продемонстрировано, что оптика без визуализации концентрирует солнечный свет в 84000 раз большей интенсивности солнечного света, что превышает поток, обнаруживаемый на поверхности Солнца, и приближение теоретического (2-й закон термодинамики) предела нагрева объектов к температуре поверхности Солнца.^[12]

Самый простой способ создания оптики без изображения называется «метод струн»,^[13] на основе принцип краевого луча. В начале 1990-х годов были разработаны и другие более продвинутые методы, которые могут лучше обрабатывать протяженные источники света, чем метод краевых лучей. Они были разработаны в первую очередь для решения проблем проектирования полупроводниковых автомобильных фар и сложных систем освещения. Одним из таких передовых методов проектирования является Метод одновременного проектирования нескольких поверхностей (SMS). Метод проектирования 2D SMS (Патент США 6,639,733) подробно описана в вышеупомянутых учебниках. Метод оформления 3D SMS (Патент США 7,460,985) был разработан в 2003 году группой ученых-оптиков из Light Prescriptions Innovators.^[14]

Принцип краевого луча

Проще говоря, принцип краевого луча утверждает, что если световые лучи, исходящие от краев источника, перенаправляются к краям приемника, это гарантирует, что все световые лучи, исходящие из внутренних точек источника, попадут на приемник. Нет никаких условий на формирование изображения, единственная цель - передать свет от источника к цели.

Фигура Принцип краевого луча справа иллюстрирует этот принцип. Линза собирает свет от источника S₁S₂ и перенаправляет его получателю р₁р₂.

Принцип краевого луча

У линзы две оптические поверхности, поэтому ее можно сконструировать (используя Метод оформления SMS ) так, чтобы световые лучи, идущие с края S₁ источника перенаправляются к краю р₁ приемника, как показано синими лучами. По симметрии лучи, идущие от края S₂ источника перенаправляются к краю р₂ приемника, как показано красными лучами. Лучи исходят из внутренней точки S в источнике перенаправляются к цели, но не концентрируются на точке, и поэтому изображение не формируется.

На самом деле, если рассматривать точку п на верхней поверхности линзы луч, идущий от S₁ через п будет перенаправлен на р₁. Также луч идет от S₂ через п будет перенаправлен на р₂. Луч проходит сквозь п с внутренней точки S в источнике будет перенаправлен во внутреннюю точку приемника. Затем эта линза гарантирует, что весь свет от источника, пересекающий его, будет перенаправлен на приемник. Однако на мишени изображение источника не формируется. Наложение условия формирования изображения на приемник повлечет за собой использование большего количества оптических поверхностей, что усложнит оптику, но не улучшит передачу света между источником и целью (поскольку весь свет уже передается). По этой причине оптика без визуализации проще и эффективнее, чем оптика с визуализацией, в передаче излучения от источника к цели.

Методы проектирования

Устройства без визуальной оптики получают разными способами. Наиболее важные из них: поточная линия или метод Уинстона-Велфорда, SMS или метод проектирования Миньяно-Бенитеса и Метод Миньяно с использованием скобок Пуассона. Первый (поточная линия), вероятно, является наиболее часто используемым, хотя второй (SMS) оказался очень универсальным, что привело к большому разнообразию оптики. Третий остался в области теоретической оптики и до сих пор не нашел реального применения. Часто оптимизация также используется.^{[нужна цитата ]}

Обычно оптика имеет преломляющие и отражающие поверхности, и свет проходит через различные среды. показатели преломления как пересекает оптику. В этих случаях количество называется длина оптического пути (OPL) можно определить как ${\displaystyle S=\textstyle \sum _{i}n_{i}d_{i}}$ где индекс я указывает на разные луч участки между последовательными отклонениями (преломлениями или отражениями), п_я - показатель преломления и d_я расстояние в каждой секции я лучевого пути.

Постоянный OPL

OPL постоянен между волновые фронты.^[1] Это можно увидеть по преломлению на рисунке «постоянный OPL» справа. Это показывает разделение c(τ) между двумя средами показателей преломления п₁ и п₂, куда c(τ) описывается параметрическое уравнение с параметром τ. Также показан набор лучей, перпендикулярных волновому фронту. ш₁ и путешествуя в среде с показателем преломления п₁. Эти лучи преломляются на c(τ) в среду с показателем преломления п₂ в направлениях, перпендикулярных волновому фронту ш₂. Луч р_А кресты c в точке c(τ_А) и, следовательно, луч р_А идентифицируется параметром τ_А на c. Точно так же луч р_B идентифицируется параметром τ_B на c. Луч р_А имеет длину оптического пути S(τ_А) = п₁d₅ + п₂d₆. Также луч р_B имеет длину оптического пути S(τ_B) =п₁d₇ + п₂d₈. Разница в длине оптического пути для лучей р_А и р_B дан кем-то:

${\displaystyle S(\tau _{B})-S(\tau _{A})=\int _{A}^{B}dS=\int _{\tau _{A}}^{\tau _{B}}{\frac {dS}{d\tau }}d\tau =\int _{\tau _{A}}^{\tau _{B}}{\frac {S(\tau +d\tau )-S(\tau )}{(\tau +d\tau )-\tau }}d\tau }$

Чтобы вычислить значение этого интеграла, оценим S(τ+dτ)-S(τ), опять же с помощью того же рисунка. У нас есть S(τ) = п₁d₁+п₂(d₃+d₄) и S(τ+dτ) = п₁(d₁+d₂)+п₂d₄. Эти выражения можно переписать как S(τ) = п₁d₁+п₂Округ Колумбия грехθ₂+п₂d₄ и S(τ+dτ) = п₁d₁+п₁Округ Колумбия грехθ₁+п₂d₄. Из закона преломление п₁грехθ₁=п₂грехθ₂ и поэтому S(τ+dτ) = S(τ), что приводит к S(τ_А)=S(τ_B). Поскольку это могут быть произвольные лучи, пересекающие c, можно сделать вывод, что длина оптического пути между ш₁ и ш₂ одинакова для всех лучей, перпендикулярных входящему волновому фронту ш₁ и исходящий волновой фронт ш₂.

Аналогичные выводы можно сделать и для случая отражения, только в этом случае п₁=п₂. Эта связь между лучи и волновые фронты действительно в целом.

Метод проектирования поточной линии

Метод проектирования поточных линий (или метод Уинстона-Велфорда) обычно приводит к созданию оптики, которая направляет свет, ограничивая его между двумя отражающими поверхностями. Самым известным из этих устройств является CPC (Составной параболический концентратор ).

Эти типы оптики могут быть получены, например, путем применения краевого луча не отображающей оптики к конструкции зеркальной оптики, как показано на рисунке «CEC» справа. Он состоит из двух эллиптических зеркал. е₁ с фокусами S₁ и р₁ и его симметричный е₂ с фокусами S₂ и р₂.

ЦИК

Зеркало е₁ перенаправляет лучи, идущие с края S₁ источника к краю р₁ ствольной коробки и симметрично зеркальной е₂ перенаправляет лучи, идущие с края S₂ источника к краю р₂ приемника. Это устройство не формирует изображение источника S₁S₂ на приемнике р₁р₂ на что указывают зеленые лучи, исходящие из точки S в источнике, которые попадают на приемник, но не фокусируются на точке изображения. Зеркало е₂ начинается на краю р₁ приемника, так как оставление промежутка между зеркалом и приемником позволит свету выходить между ними. Также зеркало е₂ заканчивается на луче р соединение S₁ и р₂ так как короткое его обрезание помешает ему улавливать как можно больше света, но расширит его над р затеняет свет, исходящий от S₁ и соседние с ним точки источника. Полученное устройство называется CEC (Compound Elliptical Concentrator).

Цена за клик

Частный случай такой конструкции случается, когда исходный код S₁S₂ становится бесконечно большим и уходит на бесконечное расстояние. Тогда лучи исходят из S₁ становятся параллельными лучами и одинаковыми для исходящих из S₂ и эллиптические зеркала е₁ и е₂ сходятся к параболическим зеркалам п₁ и п₂. Полученное устройство называется CPC (Составной параболический концентратор ), и показан на рисунке "CPC" слева. CPC - это наиболее распространенная оптика без визуализации. Они часто используются для демонстрации разницы между оптикой формирования изображений и оптикой без формирования изображений.

Если смотреть из CPC, падающее излучение (исходящее от бесконечного источника на бесконечном расстоянии) имеет угол ±θ (общий угол 2θ). Это называется приемным углом CPC. Причину этого названия можно понять по рисунку «лучи, показывающие угол приема» справа. Входящий луч р₁ под углом θ к вертикали (идущей от края бесконечного источника) перенаправляется CPC к краю р₁ приемника.

Лучи, показывающие угол приема

Другой луч р₂ под углом α<θ к вертикали (исходящей из внутренней точки бесконечного источника) перенаправляется к внутренней точке приемника. Однако луч р₃ под углом β>θ к вертикали (исходящей из точки за пределами бесконечного источника) подпрыгивает внутри CPC, пока не будет отклонен им. Следовательно, только свет внутри угла приема ±θ улавливается оптикой; свет снаружи отклоняется.

Эллипсы ЦИК могут быть получены (булавки и) строковый метод, как показано на рисунке «строковый метод» слева. Строка постоянной длины прикреплена к краю. S₁ исходной и граничной точки р₁ приемника.

Строковый метод

Нить натянута, пока карандаш перемещается вверх и вниз, рисуя эллиптическое зеркало. е₁. Теперь мы можем рассмотреть волновой фронт ш₁ как круг с центром в S₁. Этот волновой фронт перпендикулярен всем лучам, выходящим из S₁ и расстояние от S₁ к ш₁ постоянно для всех своих точек. То же верно и для волнового фронта ш₂ сосредоточен на р₁. Расстояние от ш₁ к ш₂ тогда постоянна для всех световых лучей, отраженных на е₁ и эти световые лучи перпендикулярны обоим входящим волновым фронтам ш₁ и исходящий волновой фронт ш₂.

Длина оптического пути (OPL) постоянна между волновыми фронтами. Применительно к оптике без визуализации этот результат расширяет струнный метод до оптики как с преломляющими, так и с отражающими поверхностями. На рисунке "DTIRC" (Концентратор полного внутреннего отражения диэлектрика) слева показан один из таких примеров.

DTIRC

Форма верхней поверхности s прописывается, например, в виде круга. Затем боковая стенка м₁ рассчитывается из условия постоянной длины оптического пути S=d₁+н д₂+н д₃ куда d₁ это расстояние между входящим волновым фронтом ш₁ и указать п на верхней поверхности s, d₂ это расстояние между п и Q и d₃ расстояние между Q и исходящий волновой фронт ш₂, который является круглым и с центром в р₁. Боковая стенка м₂ симметрично м₁. Угол приема устройства 2θ.

Эта оптика называется поточной оптикой, и причина этого показана на рисунке «Поточные линии CPC» справа. Он показывает CPC с углом приема 2θ, выделяя одну из его внутренних точек п.

Поточные линии КТК

Свет, пересекающий эту точку, ограничен конусом угловой апертуры 2.α. Линия ж также показано чье касательная в точке п делит этот световой конус пополам и, следовательно, указывает в направлении «светового потока» на п. Несколько других таких линий также показаны на рисунке. Все они делят пополам краевые лучи в каждой точке внутри CPC, и по этой причине их касательная в каждой точке указывает в направлении потока света. Они называются поточными линиями, а сама КТК представляет собой просто комбинацию поточных линий. п₁ начинается с р₂ и п₂ начинается с р₁.

Варианты конструкции выкидной линии

Есть несколько разновидностей метода проектирования поточной линии.^[1]

Вариантом является многоканальная или ступенчатая поточная оптика, в которой свет разделяется на несколько «каналов», а затем снова рекомбинируется в один выходной сигнал. Апланатический (частный случай SMS ) версии этих проектов также были разработаны.^[15] Основное применение этого метода - создание сверхкомпактной оптики.

Другой вариант - ограничение света каустика. Вместо того, чтобы ограничивать свет двумя отражающими поверхностями, он ограничивается отражающей поверхностью и каустикой краевых лучей. Это дает возможность добавлять к оптике неоптические поверхности без потерь.

Метод одновременного проектирования нескольких поверхностей (SMS)

В этом разделе описывается

метод проектирования оптики без визуализации, известный в данной области как метод одновременного создания нескольких поверхностей (SMS) или метод Миньяно-Бенитеса. Аббревиатура SMS связана с тем, что оно позволяет одновременно проектировать несколько оптических поверхностей. Первоначальная идея пришла от Миньяно. Сам метод проектирования был первоначально разработан Миньяно, а затем и Бенитесом в 2D. Первое обобщение трехмерной геометрии было сделано Бенитесом. Затем он получил дальнейшее развитие благодаря вкладам Миньяно и Бенитеса. Другие люди работали сначала с Миньяно, а затем с Миньяно и Бенитесом над программированием метода.^[1]

Процедура проектирования

связано с алгоритмом, используемым Шульцем^[16][17] в конструкции асферических линз.^[1]

Метод проектирования SMS (или Миньяно-Бенитеса) очень универсален, и на его основе было разработано множество различных типов оптики. Версия 2D позволяет проектировать два (хотя возможно и больше) асферический поверхности одновременно. Версия 3D позволяет проектировать оптику с поверхности произвольной формы (также называемые анаморфными) поверхности, которые могут не иметь какой-либо симметрии.

Оптика SMS также рассчитывается путем применения постоянной длины оптического пути между фронтами волн. Рисунок «SMS-цепочка» справа показывает, как рассчитывается эта оптика. Обычно лучи, перпендикулярные входящему волновому фронту ш₁ будет связан с исходящим волновым фронтом ш₄ и лучи, перпендикулярные входящему волновому фронту ш₂ будет связан с исходящим волновым фронтом ш₃ и эти волновые фронты могут иметь любую форму. Однако для простоты на этом рисунке показан частный случай или круговые волновые фронты. В этом примере показана линза с заданным показателем преломления. п предназначен для источника S₁S₂ и приемник р₁р₂.

SMS цепочка

Лучи, исходящие от края S₁ источника сфокусированы на край р₁ приемника и излучаемые с края S₂ источника сфокусированы на край р₂ приемника. Сначала выбираем точку Т₀ и его нормаль на верхней поверхности линзы. Теперь мы можем взять луч р₁ приходящий из S₂ и преломить его на Т₀. Теперь выбираем длину оптического пути S₂₂ между S₂ и р₂ у нас есть одно условие, которое позволяет нам вычислить точку B₁ на нижней поверхности линзы. Нормальный в B₁ также можно рассчитать по направлениям входящих и исходящих лучей в этой точке и по показателю преломления линзы. Теперь мы можем повторить процесс, взяв луч р₂ приходящий из р₁ и преломляя его на B₁. Теперь выбираем длину оптического пути S₁₁ между р₁ и S₁ у нас есть одно условие, которое позволяет нам вычислить точку Т₁ на верхней поверхности линзы. Нормальный в Т₁ также можно рассчитать по направлениям входящих и исходящих лучей в этой точке и по показателю преломления линзы. Теперь, преломляя Т₁ луч р₃ приходящий из S₂ мы можем вычислить новую точку B₃ и соответствующая нормаль на нижней поверхности с использованием той же длины оптического пути S₂₂ между S₂ и р₂. Преломление на B₃ луч р₄ приходящий из р₁ мы можем вычислить новую точку Т₃ и соответствующая нормаль на верхней поверхности с использованием той же длины оптического пути S₁₁ между р₁ и S₁. Процесс продолжается, вычисляя еще одну точку. B₅ на нижней поверхности с помощью другого краевого луча р₅, и так далее. Последовательность точек Т₀ B₁ Т₁ B₃ Т₃ B₅ называется цепочкой SMS.

Еще одна цепочка SMS-сообщений может быть построена в направлении правильного начала в точке. Т₀. Луч от S₁ преломлен на Т₀ определяет точку и нормальный B₂ на нижней поверхности, используя постоянную длину оптического пути S₁₁ между S₁ и р₁. Теперь луч от р₂ преломлен на B₂ определяет новую точку и нормальный Т₂ на верхней поверхности, используя постоянную длину оптического пути S₂₂ между S₂ и р₂. Процесс продолжается по мере добавления новых точек в цепочку SMS. В этом примере, показанном на рисунке, оптика имеет симметрию влево-вправо и, следовательно, точки B₂ Т₂ B₄ Т₄ B₆ также может быть получено за счет симметрии относительно вертикальной оси линзы.

Теперь у нас есть последовательность разнесенных точек на плоскости. Рисунок «Скиннинг SMS» слева иллюстрирует процесс заполнения промежутков между точками, полностью определяя обе оптические поверхности.

SMS скиннинг

Мы выбираем две точки, скажем B₁ и B₂, с соответствующими нормалями и интерполировать кривую c между ними. Теперь мы выбираем точку B₁₂ и это нормально на c. Луч р₁ приходящий из р₁ и преломился на B₁₂ определяет новую точку Т₀₁ и это нормально между Т₀ и Т₁ на верхней поверхности, применяя такую ​​же постоянную длину оптического пути S₁₁ между S₁ и р₁. Теперь луч р₂ приходящий из S₂ и преломился на Т₀₁ определяет новую точку и нормаль на нижней поверхности, применяя ту же постоянную длину оптического пути S₂₂ между S₂ и р₂. Процесс продолжается с лучами р₃ и р₄ построение новой SMS-цепочки, заполняющей промежутки между точками. Выбор других точек и соответствующих нормалей на кривой c дает нам больше баллов между другими начисленными SMS баллами.

Как правило, две оптические поверхности SMS не обязательно должны быть преломляющими. Преломляющие поверхности обозначаются буквой R (от Refraction), а отражающие поверхности - X (от испанского слова RefractionXión). Полное внутреннее отражение (TIR) ​​отмечен I. Следовательно, линза с двумя преломляющими поверхностями является оптикой RR, тогда как другая конфигурация с отражающей и преломляющей поверхностями представляет собой оптику XR. Также возможны конфигурации с большим количеством оптических поверхностей, и, например, если свет сначала преломляется (R), затем отражается (X), а затем снова отражается посредством TIR (I), оптика называется RXI.

SMS 3D похож на SMS 2D, только теперь все расчеты ведутся в 3D пространстве. Рисунок «Цепочка SMS 3D» справа иллюстрирует алгоритм расчета SMS 3D.

SMS 3D цепочка

Первый шаг - выбрать входящие волновые фронты. ш₁ и ш₂ и исходящие волновые фронты ш₃ и ш₄ и длина оптического пути S₁₄ между ш₁ и ш₄ и длина оптического пути S₂₃ между ш₂ и ш₃. В этом примере оптика представляет собой линзу (оптика RR) с двумя преломляющими поверхностями, поэтому ее показатель преломления также должен быть указан. Одно различие между SMS 2D и SMS 3D заключается в том, как выбрать начальную точку. Т₀, который теперь находится на выбранной 3D-кривой а. Нормальный выбранный для точки Т₀ должен быть перпендикулярен кривой а. Теперь процесс развивается аналогично SMS 2D. Луч р₁ приходящий из ш₁ преломляется на Т₀ и с длиной оптического пути S₁₄, новая точка B₂ и его нормаль получается на нижней поверхности. Теперь луч р₂ приходящий из ш₃ преломляется на B₂ и с длиной оптического пути S ₂₃, новая точка Т₂ и его нормаль получается на верхней поверхности. С лучом р₃ новая точка B₂ и его нормаль получаются с лучом р₄ новая точка Т₄ и его нормально получаются и тд. Этот процесс выполняется в трехмерном пространстве, и в результате получается трехмерная цепочка SMS. Как и в случае с SMS 2D, набор точек и нормалей слева от Т₀ можно также получить тем же способом. Теперь, выбирая другую точку Т₀ на кривой а процесс можно повторить и получить больше точек на верхней и нижней поверхностях линзы.

Сила метода SMS заключается в том, что входящие и исходящие волновые фронты могут быть произвольной формы, что придает методу большую гибкость. Кроме того, создавая оптику с отражающими поверхностями или сочетая отражающие и преломляющие поверхности, возможны различные конфигурации.

Метод Миньяно с использованием скобок Пуассона

Этот метод проектирования был разработан Миньяно и основан на Гамильтонова оптика, гамильтонова формулировка геометрической оптики^[1][2] который разделяет большую часть математической формулировки с Гамильтонова механика. Он позволяет создавать оптику с переменным показателем преломления и, следовательно, решает некоторые проблемы, не связанные с формированием изображений, которые нельзя решить другими методами. Однако изготовление оптики с переменным показателем преломления по-прежнему невозможно, и этот метод, хотя и потенциально мощный, еще не нашел практического применения.

Сохранение etendue

Основная статья: Etendue

Сохранение продолжать является центральным понятием в не отображающей оптике. В концентрационной оптике он связывает угол приема с максимальная концентрация возможный. Сохранение etendue можно рассматривать как постоянный объем, движущийся в фазовое пространство.

Кёлер интеграция

Смотрите также: Köhler освещение

В некоторых приложениях важно достичь заданного сияние (или же освещенность ) рисунок на мишени с учетом движений или неоднородностей источника. Рисунок «Интегратор Келера» справа иллюстрирует это для частного случая солнечной концентрации. Здесь источник света - солнце, движущееся по небу. Слева на этом рисунке показан объектив L₁ L₂ захват солнечного света, падающего под углом α к оптическая ось и концентрируя его на приемнике L₃ L₄. Как видно, этот свет сосредоточен на горячей точке на приемнике. Это может быть проблемой в некоторых приложениях. Один из способов обойти это - добавить новую линзу, выходящую из L₃ к L₄ который захватывает свет от L₁ L₂ и перенаправляет его на получателя р₁ р₂, как показано в середине рисунка.

Интегратор Келера

Ситуация в середине рисунка показывает объектив без изображения. L₁ L₂ спроектирован таким образом, что солнечный свет (здесь рассматривается как набор параллельных лучей) падает под углом θ к оптическая ось будет сосредоточен на точке L₃. С другой стороны, объектив без изображения L₃ L₄ сконструирован таким образом, что световые лучи, исходящие от L₁ сосредоточены на р₂ и световые лучи исходят от L₂ сосредоточены на р₁. Следовательно, луч р₁ падает на первую линзу под углом θ будет перенаправлен на L₃. Когда он попадает во вторую линзу, он идет из точки L₁ и он перенаправляется второй линзой на р₂. С другой стороны, луч р₂ также падает на первую линзу под углом θ также будет перенаправлен на L₃. Однако когда он попадает во вторую линзу, он исходит из точки L₂ и он перенаправляется второй линзой на р₁. Промежуточные лучи, падающие на первую линзу под углом θ будут перенаправлены на точки между р₁ и р₂, полностью освещая приемник.

Нечто подобное происходит в ситуации, показанной на том же рисунке справа. Луч р₃ падает на первую линзу под углом α<θ будет перенаправлен к точке между L₃ и L₄. Когда он попадает во вторую линзу, он летит из точки L₁ и он перенаправляется второй линзой на р₂. Также Рэй р₄ падает на первую линзу под углом α<θ будет перенаправлен к точке между L₃ и L₄. Когда он попадает во вторую линзу, он идет из точки L₂ и он перенаправляется второй линзой на р₁. Промежуточные лучи, падающие на первую линзу под углом α<θ будут перенаправлены на точки между р₁ и р₂, также полностью освещая ствольную коробку.

Такое сочетание оптических элементов называется Köhler освещение.^[18] Хотя приведенный здесь пример относится к концентрации солнечной энергии, те же принципы применимы и к освещению в целом. На практике оптика Köhler обычно не разрабатывается как комбинация оптики, не создающей изображения, а представляет собой упрощенные версии с меньшим количеством активных оптических поверхностей. Это снижает эффективность метода, но позволяет упростить оптику. Кроме того, оптика Келлера часто делится на несколько секторов, каждый из которых направляет свет отдельно, а затем объединяет весь свет на цель.

Примером одной из таких оптических систем, используемых для концентрации солнечного света, является Келер Френеля.^[19]

Составной параболический концентратор

На рисунке напротив изображены два параболических зеркала. CC ' (красный) и DD ' (синий). Обе параболы обрезаны по B и А соответственно. А фокус параболы CC ' и B фокус параболы DD ' Площадь ОКРУГ КОЛУМБИЯ входная апертура и плоский поглотитель AB. Эта цена за клик имеет угол приема θ.

Сравнение составного параболического концентратора без визуализации и параболического концентратора

Параболический концентратор имеет входное отверстие размером ОКРУГ КОЛУМБИЯ и координатор F.

Параболический концентратор принимает только лучи света, перпендикулярные входной апертуре. ОКРУГ КОЛУМБИЯ. Слежение за концентратором этого типа должно быть более точным и требует дорогостоящего оборудования.

Составной параболический концентратор принимает большее количество света и требует менее точного отслеживания.

Для трехмерного "составного параболического концентратора без визуализации" максимальная концентрация возможно в воздухе или в вакууме (равном отношению площадей входной и выходной апертуры), составляет:

${\displaystyle C={\frac {1}{\sin ^{2}\theta }},}$

куда ${\displaystyle \theta }$ - половина угла приемного угла (большей апертуры).^[2][20]

История

Разработка началась в середине 1960-х годов в трех разных местах В. К. Барановым (СССР ) с исследованием фокусов (фокусирующих конусов)^[21][22] Мартин Плоке (Германия),^[23] и Роланд Уинстон (Соединенные Штаты),^[24] и привел к независимому происхождению первых концентраторов без визуализации,^[1] позже применяется к концентрации солнечной энергии.^[25] Среди этих трех самых ранних работ наиболее развитой была американская, в результате чего появилась не отображающая оптика сегодня.^[1]

Хорошее вступление опубликовали - Уинстон, Роланд. «Nommaging Optics». Scientific American, т. 264, нет. 3. 1991. С. 76–81. JSTOR, [2]

Существуют различные коммерческие компании и университеты, работающие над неизобразительной оптикой. В настоящее время крупнейшей исследовательской группой в этой области является Advanced Optics Group CeDInt, часть Мадридский технический университет (UPM).^{[нужна цитата ]}

Смотрите также

• Etendue
• Угол приема
• Концентрированная фотогальваника
• Концентрированная солнечная энергия
• Твердотельное освещение
• Освещение
• Анидолическое освещение
• Гамильтонова оптика
• Конус Уинстона

Рекомендации

1. Чавес, Хулио (2015). Введение в не отображающую оптику, второе издание. CRC Press. ISBN  978-1482206739.
2. Роланд Уинстон и др., Невизуальная оптика, Academic Press, 2004 г. ISBN  978-0-12-759751-5
3. Р. Джон Кошель (редактор), Осветительная техника: проектирование с использованием оптики без визуализации, Вайли, 2013 ISBN  978-0-470-91140-2
4. Уильям Дж. Кассарли, Укрощение света с помощью оптики без визуализации, Труды SPIE, том. 5185, Невизуальная оптика: максимальная эффективность передачи света VII, стр.1–5, 2004 г.
5. Нортон, Брайан (2013). Использование солнечного тепла. Springer. ISBN  978-94-007-7275-5.
6. [1] В архиве 22 декабря 2006 г. Wayback Machine
7. Пабло Бенитес и Хуан К. Миньяно, Концентратор изображений со сверхвысокой числовой апертурой, J. Opt. Soc. Являюсь. А, т. 14, No. 8, 1997 г.
8. У. Т. Велфорд и Роланд Уинстон, Оптика невизуальных концентраторов: свет и солнечная энергия, Academic Press, 1978. ISBN  978-0-12-745350-7
9. Ральф Лойц и Акио Сузуки, Линзы Френеля без визуализации: конструкция и характеристики солнечных концентраторов, Springer, 2001 г. ISBN  978-3-642-07531-5
10. Джозеф Дж. О'Галлахер, Невизуальная оптика в солнечной энергии, Издательство Morgan and Claypool, 2008 г. ISBN  978-1-59829-330-2
11. Уильям Кассарли, Невизуальная оптика: концентрация и освещение в Майкле Бассе Справочник по оптике, Третье издание, Vol. II, Глава 39, McGraw Hill (при финансовой поддержке Оптического общества Америки), 2010 г. ISBN  978-0-07-149890-6
12. Концентрация солнечного света на уровне поверхности Солнца с помощью оптики, не создающей изображения Природа
13. Твердотельное освещение требует специальной оптической конструкции для оптимальной работы SPIE
14. Пабло Бенитес и др., Метод одновременного моделирования нескольких поверхностей в трех измерениях, Оптическая инженерия, июль 2004 г., том 43, выпуск 7, стр. 1489–1502
15. Хуан С. Миньяно и др., Применение метода SMS для проектирования компактной оптики, Труды SPIE, Том 7717, 2010 г.
16. Шульц, Г., Асферические поверхности, In Progress in Optics (Wolf, E., ed.), Vol. XXV, Северная Голландия, Амстердам, стр. 351, 1988 г.
17. Шульц, Г., Ахроматическое и резкое реальное изображение точки одной асферической линзой, Прил. Опт., 22, 3242, 1983
18. Хуан С. Миньяно и др. аль, Оптическая матрица интегратора произвольной формы, в Невизуальной оптике и эффективных системах освещения II, Proc. SPIE 5942, 2005 г.
19. Пабло Бенитес и др., Высокопроизводительный фотоэлектрический концентратор на основе Френеля, Optics Express, Vol. 18, выпуск S1, стр. A25-A40, 2010 г.
20. Мартин Грин, Солнечные элементы: принципы работы, технологии и системные приложения, Прентис Холл, 1981, стр.205–206. ISBN  978-0-13-822270-3
21. Баранов В.К., Свойства параболико-торических фокусов, Опт.-мех. Пром., 6, 1, 1965.
22. В. К. Баранов, Гелиотехника, 2, 11, 1966 (англ. Пер.: В. К. Баранов, Параболотороидальные зеркала как элементы концентраторов солнечной энергии, Прил. Sol. Энергия, 2, 9, 1966 г.)
23. М. Плоке, Lichtführungseinrichtungen mit starker Konzentrationswirkung, Optik, 25, 31, 1967 (английский перевод названия: световод с сильным действием концентрации)
24. Х. Хинтербергер и Р. Уинстон, Эффективная световая муфта для пороговых счетчиков Черенкова, Обзор научных инструментов, Vol. 37, с.1094–1095, 1966.
25. Р. Уинстон, Принципы работы солнечных концентраторов новой конструкции, Солнечная энергия, Том 16, Выпуск 2, с. 89–95,1974

внешняя ссылка

• Оливер Дросс и др., Обзор методов проектирования SMS и реальных приложений, SPIE Proceedings Vol. 5529, pp. 35–47, 2004
• Compound Parabolic Concentrator for Passive Radiative Cooling
• Photovoltaic applications of Compound Parabolic Concentrator (CPC)