Невизуальная оптика

Оптика без визуализации (также называемая анидольной оптикой ) ^{[1] [2] [3]} - это отрасль оптики, занимающаяся оптимальной передачей светового излучения между источником и целью. В отличие от традиционной оптики формирования изображений, используемые методы не пытаются сформировать изображение источника; вместо этого желательна оптимизированная оптическая система для оптимального переноса излучения от источника к цели.

Приложения [ править ]

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 на цели, включают общий поток излучения , 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 в источнике.

Концентрация солнечной энергии [ править ]

Для заданной концентрации оптика без визуализации обеспечивает максимально широкие углы приема и, следовательно, является наиболее подходящей для использования при солнечной концентрации, например, в концентрированной фотовольтаике . По сравнению с «традиционной» оптикой формирования изображения (такой как параболические отражатели или линзы Френеля ) основными преимуществами оптики без формирования изображения для концентрации солнечной энергии являются: ^[5]

• более широкие 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 концентрированных фотоэлектрических элементах )
  • более высокие температуры (в концентрированной солнечной тепловой энергии )
  • меньшие тепловые потери (в концентрированной солнечной энергии )
  • расширить область применения концентрированной солнечной энергии, например, для солнечных лазеров
• возможность равномерного освещения ствольной коробки
  • повысить надежность и эффективность солнечных элементов (в концентрированных фотоэлектрических элементах )
  • улучшить теплопередачу (в концентрированной солнечной тепловой энергии )
• гибкость конструкции: различные виды оптики с разной геометрией могут быть адаптированы для различных применений

Кроме того, для низких концентраций очень широкие углы приема не отображающей оптики могут полностью избежать слежения за Солнцем или ограничить его несколькими положениями в год.

Главный недостаток оптики без формирования изображения по сравнению с параболическими отражателями или линзами Френеля заключается 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.

Подсветка оптики [ править ]

Примеры оптических устройств, не создающих изображения, включают в себя оптические световоды , отражатели без формирования изображения, линзы без формирования изображения или комбинацию этих устройств. Обычные применения не отображающей оптики включают многие области светотехники ( освещение ). Примеры современных реализаций оптических конструкций, не создающих изображения, включают автомобильные фары , ЖК-подсветку , дисплеи приборной панели с подсветкой , оптоволоконные осветительные устройства, светодиодные фонари , системы проекционного дисплея 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 светодиодными источниками света
• устойчивость к изменениям относительного положения источника света и оптики

Примерами оптики без визуализации, использующей солнечную энергию, являются анидольное освещение или солнечные трубы .

Другие приложения [ править ]

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

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

Теория [ править ]

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]

Также были опубликованы специальные приложения не отображающей оптики, такие как линзы Френеля для солнечной концентрации ^[9] или солнечной концентрации в целом ^[10] , 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 на том же потоке, что и на поверхности Солнца. Было продемонстрировано, что оптика без визуализации концентрирует солнечный свет в 84000 раз больше, чем окружающая интенсивность солнечного света, что превышает поток, обнаруживаемый на поверхности Солнца, и приближается к теоретическому ( 2-й закон термодинамики ) пределу нагрева объектов до температуры поверхности Солнца. ^[12]

Самый простой способ создания оптики без изображения называется «метод струн» ^[13], основанный на принципе краевых лучей . 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 описан в вышеупомянутых учебниках. Метод создания 3D SMS ( Патент США 7,460,985).) был разработан в 2003 году группой ученых-оптиков из Light Prescriptions Innovators. ^[14]

Принцип Edge Ray [ править ]

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

Рисунок « Принцип краевого луча» справа иллюстрирует этот принцип. Линза собирает свет от источника S ₁ S ₂ и перенаправляет его к приемнику R ₁ R ₂ .

Линза имеет две оптические поверхности и, следовательно, ее можно сконструировать (используя метод моделирования SMS ) так, чтобы световые лучи, исходящие от края S ₁ источника, перенаправлялись к краю R ₁ приемника, как показано синие лучи. За счет симметрии лучи, исходящие от края S ₂ источника, перенаправляются к краю R ₂ приемника, как показано красными лучами. Лучи, исходящие из внутренней точки S в источнике, перенаправляются к цели, но они не концентрируются в точке, и поэтому изображение не формируется.

Фактически, если мы рассмотрим точку P на верхней поверхности линзы, луч, идущий от S ₁ через P, будет перенаправлен в сторону R ₁ . Также луч, идущий от S ₂ до P, будет перенаправлен на R ₂ . Луч, проходящий через P из внутренней точки Sв источнике будет перенаправлен во внутреннюю точку приемника. Эта линза затем 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 усложняет 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 [ править ]

Устройства без визуальной оптики получают разными способами. Наиболее важные являются: поточным или Winston- Welford метода дизайна, SMS или метод проектирования Miñano-Бенитес и метод проектирования Miñano с помощью 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 также используется оптимизация . ^{[ необходима цитата ]}

Обычно оптика имеет преломляющую и отражающую поверхности, и свет проходит через среды с разными показателями преломления, когда проходит через оптику. В этих случаях величина, называемая длиной оптического пути (OPL), может быть определена как где индекс i указывает разные участки луча между последовательными отклонениями (преломлениями или отражениями), n _i - показатель преломления, а d _i - расстояние в каждом участке i луча. дорожка.${\ displaystyle S = \ textstyle \ sum _ {i} n_ {i} d_ {i}}$

OPL постоянен между фронтами волн . ^[1] Это можно увидеть для рефракции на рисунке «постоянный OPL» справа. На нем показано расстояние c ( τ ) между двумя средами с показателями преломления n ₁ и n ₂ , где c ( τ ) описывается параметрическим уравнением с параметром τ . Также показан набор лучей, перпендикулярных волновому фронту w ₁ и движущихся в среде с показателем преломления n ₁ . Эти лучи преломляются при c ( τ) в среду с показателем преломления n ₂ в направлениях, перпендикулярных волновому фронту w ₂ . Луч r _A пересекает c в точке c ( τ _A ) и, следовательно, луч r _A идентифицируется параметром τ _A на c . Точно так же луч r _B идентифицируется параметром τ _B на c . Луч r _A имеет длину оптического пути S ( τ _A ) = n ₁ d ₅+ п ₂ д ₆ . Также луч r _B имеет длину оптического пути S ( τ _B ) = n ₁ d ₇ + n ₂ d ₈ . Разница в длине оптического пути для лучей r _A и r _B определяется как:

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

Чтобы вычислить значение этого интеграла, вычислим S ( τ + dτ ) - S ( τ ), опять же с помощью того же рисунка. Имеем S ( τ ) = n ₁ d ₁ + n ₂ ( d ₃ + d ₄ ) и S ( τ + dτ ) = n ₁ ( d ₁ + d ₂ ) + n ₂ d ₄ . Эти выражения можно переписать какS ( τ ) = n ₁ d ₁ + n ₂ dc  sin θ ₂ + n ₂ d ₄ и S ( τ + dτ ) = n ₁ d ₁ + n ₁ dc  sin θ ₁ + n ₂ d ₄ . Из закона преломления n ₁ sin θ ₁ = n ₂ sin θ ₂и, следовательно, S ( τ + dτ ) = S ( τ ), что приводит к S ( τ _A ) = S ( τ _B ). Поскольку это могут быть произвольные лучи, пересекающие c , можно сделать вывод, что длина оптического пути между w ₁ и w ₂ одинакова для всех лучей, перпендикулярных входящему волновому фронту w ₁ и выходящему волновому фронту w ₂ .

Аналогичные выводы можно сделать и для случая отражения, только в этом случае n ₁ = n ₂ . Это соотношение между лучами и волновыми фронтами в целом справедливо.

Метод проектирования поточных линий [ править ]

Фактическая точность этого раздела оспаривается . Соответствующее обсуждение можно найти в Talk: Nonimaging optics . Пожалуйста, помогите обеспечить надежный источник спорных утверждений . ( Январь 2016 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

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

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 e ₁ с фокусами S ₁ и R ₁ и его симметричного e ₂ с фокусами S ₂ и R ₂ .

Зеркало е ₁ переадресовывает лучи , идущие от края ˙s ₁ источника к краю R ₁ приемника и, в силу симметрии, зеркало е ₂ переадресовывает лучи , идущие от края ˙s ₂ от источника к краю R ₂ из приемник. Это устройство не формирует изображение источника S ₁ S ₂ на приемнике R ₁ R _2, как показано зелеными лучами, исходящими из точки S в источнике, которые попадают в приемник, но не фокусируются на точке изображения. Зеркало е₂ начинается на краю R ₁ приемника, поскольку оставление промежутка между зеркалом и приемником позволит свету уйти между ними. Кроме того, зеркало e ₂ заканчивается на луче r, соединяющем S ₁ и R _2, так как его короткое обрезание не позволит ему улавливать как можно больше света, но расширение его выше r затеняет свет, исходящий от S ₁ и соседних с ним точек источника. Полученное устройство называется CEC (Compound Elliptical Concentrator).

Частный случай этой конструкции случается, когда источник S ₁ S ₂ становится бесконечно большим и перемещается на бесконечное расстояние. Тогда лучи, исходящие из S _1, становятся параллельными лучами, и те же лучи, исходящие из S _2, и эллиптические зеркала e ₁ и e ₂ сходятся к параболическим зеркалам p ₁ и p ₂ . Полученное устройство называется CPC ( Compound Parabolic Concentrator).), 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, входящее излучение (исходящее от бесконечного источника на бесконечном расстоянии) имеет угол ± θ (общий угол 2 θ ). Это называется приемным углом CPC. Причину этого названия можно понять по рисунку «лучи, показывающие угол приема» справа. Входящий луч r ₁ под углом θ к вертикали (идущий от края бесконечного источника) перенаправляется CPC к краю R ₁ приемника.

Другой луч r ₂ под углом α < θ к вертикали (идущий из внутренней точки бесконечного источника) перенаправляется во внутреннюю точку приемника. Однако луч r ₃ под углом β > θ к вертикали (исходящий из точки вне бесконечного источника) отскакивает внутри CPC, пока не будет отклонен им. Следовательно, только свет внутри угла приема ± θ улавливается оптикой; свет снаружи отклоняется.

Эллипсы CEC могут быть получены с помощью метода (контактов и) строки , как показано на рисунке «метод строки» слева. Строка постоянной длины прикрепляется к краевой точке S ₁ источника и краевой точке R ₁ приемника.

Нити натянуты, перемещая карандаш вверх и вниз, рисуя эллиптическое зеркало e ₁ . Теперь мы можем рассматривать волновой фронт w ₁ как круг с центром в S ₁ . Этот волновой фронт перпендикулярен всем лучам, выходящим из S _1, и расстояние от S ₁ до w ₁ постоянно для всех его точек. То же самое справедливо для волнового фронта w _{2 с} центром в R ₁ . Тогда расстояние от w ₁ до w ₂ будет постоянным для всех световых лучей, отраженных в точке e _1.и эти световые лучи перпендикулярны как входящему волновому фронту w _{1, так} и исходящему волновому фронту w ₂ .

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

Форма верхней поверхности s задается, например, в виде круга. Затем боковая стенка m ₁ рассчитывается из условия постоянной длины оптического пути S = d ₁ + n d ₂ + n d _3, где d ₁ - расстояние между входящим волновым фронтом w ₁ и точкой P на верхней поверхности s , d ₂ - расстояние между P и Q и d ₃ расстояние между Qи исходящий волновой фронт w ₂ , который является круглым с центром в точке R ₁ . Боковая стенка м ₂ симметрична м ₁ . Угол приема устройства 2 θ .

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

Свет, пересекающий эту точку, ограничен конусом угловой апертуры 2 α . Линия F также показано , чьи касательной в точке Р делит пополам этот конус света и, следовательно, точки в направлении «светового потока» в P . 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 выкидными линиями, а сама CPC представляет собой просто комбинацию выкидной линии p _1, начинающейся с R _2, и p _2, начинающейся с R ₁ .

Варианты конструкции выкидной линии [ править ]

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. Разработаны и апланатические (частный случай SMS ) версии этих конструкций. ^[15] Основное применение этого метода - создание сверхкомпактной оптики.

Другой вариант - удержание света каустикой . 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 создания нескольких поверхностей (SMS) [ править ]

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 она позволяет одновременно проектировать несколько оптических поверхностей. Первоначальная идея пришла от Миньяно. Сам метод проектирования был первоначально разработан Миньяно, а затем и Бенитесом в двухмерном формате. 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

относится к алгоритму, используемому Шульцем ^{[16] [17]} при разработке асферических линз для визуализации. ^[1]

Метод проектирования SMS (или Миньяно-Бенитеса) очень универсален, и на его основе было разработано множество различных типов оптики. Версия 2D позволяет проектировать две (хотя возможно и большее количество) асферических поверхностей одновременно. Версия 3D позволяет проектировать оптику с поверхностями произвольной формы (также называемыми анаморфными), 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. В общем, лучи, перпендикулярные входящему волновому фронту w _1, будут связаны с исходящим волновым фронтом w _4, а лучи, перпендикулярные входящему волновому фронту w _2, будут связаны с исходящим волновым фронтом w _3, 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 n, предназначенная для источника S ₁ S ₂ и приемника.R ₁ R ₂ .

Лучи , испускаемые из края S ₁ источника сосредоточены на кромку R ₁ приемник и те , излучаемые от края S ₂ источника сосредоточены на ребра R ₂ приемника. Сначала мы выбираем точку T ₀ и нормаль к ней на верхней поверхности линзы. Теперь мы можем взять луч r _1, исходящий из S _2, и преломить его в точке T ₀ . Теперь выбираем длину оптического пути S ₂₂ между S ₂ и R _2.у нас есть одно условие, которое позволяет нам вычислить точку B ₁ на нижней поверхности линзы. Нормаль в точке B ₁ также может быть вычислена из направлений входящих и выходящих лучей в этой точке и показателя преломления линзы. Теперь мы можем повторить процесс, взяв луч r _2, исходящий из R _1, и преломляя его в точке B ₁ . Выбирая теперь длину оптического пути S ₁₁ между R ₁ и S _1, мы имеем одно условие, которое позволяет нам вычислить точку T ₁ на верхней поверхности линзы. Нормальный вT ₁ также можно рассчитать по направлениям входящих и исходящих лучей в этой точке и по показателю преломления линзы. Теперь, преломление при Т ₁ луч г ₃ исходя из S ₂ , мы можем вычислить новую точку B ₃ и соответствующие нормали на нижнюю поверхности , используя ту же самую оптическую длину пути S ₂₂ между S ₂ и R ₂ . Отражая в B ₃ луч r _4, исходящий из R _1, мы можем вычислить новую точку T ₃и соответствующая нормаль на верхней поверхности с использованием той же длины оптического пути S ₁₁ между R ₁ и S ₁ . Процесс продолжается путем вычисления другой точки B ₅ на нижней поверхности с использованием другого краевого луча r ₅ и так далее. Последовательность точек T ₀ B ₁ T ₁ B ₃ T ₃ B ₅ называется цепочкой SMS.

Еще одна цепочка SMS может быть построена вправо, начиная с точки T ₀ . Луч от S _1, преломленный в точке T _0, определяет точку и нормаль B ₂ на нижней поверхности за счет использования постоянной длины оптического пути S ₁₁ между S ₁ и R ₁ . Теперь луч из R _2, преломленный в точке B _2, определяет новую точку и нормаль T ₂ на верхней поверхности, используя постоянную длину оптического пути S ₂₂ между S ₂ иК ₂ . Процесс продолжается по мере добавления новых точек в цепочку SMS. В этом примере, показанном на рисунке, оптика имеет лево-правую симметрию, и, следовательно, точки B ₂ T ₂ B ₄ T ₄ B ₆ также могут быть получены путем 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.

Мы выбираем две точки, скажем B ₁ и B ₂ , с соответствующими нормалями и интерполируем кривую c между ними. Теперь выберем точку B ₁₂ и ее нормаль на c . Луч r _1, исходящий из R ₁ и преломленный в B _12, определяет новую точку T ₀₁ и ее нормаль между T ₀ и T ₁ на верхней поверхности, применяя ту же постоянную длину оптического пути S ₁₁ между S ₁ и R₁ . Теперь луч г ₂ исходя из S ₂ и преломляется на Т ₀₁ определяет новую точку и нормальные на нижней поверхности, применяя ту же самую постоянную оптическую длину пути S ₂₂ между S ₂ и R ₂ . Процесс продолжается, лучи r ₃ и r ₄ создают новую цепочку SMS, заполняющую промежутки между точками. Выбор других точек и соответствующих нормалей на кривой c дает нам больше точек между другими точками SMS, рассчитанными изначально.

Как правило, две оптические поверхности SMS не обязательно должны быть преломляющими. Преломляющие поверхности отмечены буквой R (от Refraction), а отражающие поверхности - X (от испанского слова RefractionXión). Отмечено полное внутреннее отражение (TIR) ​​I. Следовательно, линза с двумя преломляющими поверхностями является оптикой RR, а другая конфигурация с отражающей и преломляющей поверхностями - это оптика 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 аналогичен SMS 2D , только теперь все расчеты производятся в трехмерном пространстве. Рисунок «Цепочка SMS 3D» справа иллюстрирует алгоритм расчета SMS 3D.

Первым шагом является выбор входящих волновых фронтов w ₁ и w ₂ и исходящих волновых фронтов w ₃ и w _4, а также длины оптического пути S ₁₄ между w ₁ и w ₄ и длины оптического пути S ₂₃ между w ₂ и w ₃ . 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 T _0., который теперь находится на выбранной трехмерной кривой a . Нормаль, выбранная для точки T _0, должна быть перпендикулярна кривой a . Теперь процесс развивается аналогично SMS 2D. Луч r _1, исходящий из w ₁ , преломляется в точке T _0, и при длине оптического пути S ₁₄ на нижней поверхности получается новая точка B ₂ и нормаль к ней. Теперь луч r _2, исходящий из w ₃ , преломляется в B ₂ и с длиной оптического пути S ₂₃ появляется новая точка.Т ₂ и нормаль к нему получается на верхней поверхности. Для луча r ₃ получается новая точка B ₂ и нормаль к ней, для луча r ₄ - новая точка T ₄ и нормаль к ней, и так далее. 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 T ₀ также может быть получен с использованием того же метода. Теперь, выбрав другую точку T ₀ на кривой a, 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 [ править ]

Этот метод проектирования был разработан Миньяно и основан на гамильтоновой оптике , гамильтоновой формулировке геометрической оптики ^{[1] [2],} которая имеет большую часть математической формулировки с гамильтоновой механикой . 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 [ править ]

Сохранение внешнего вида - центральное понятие в оптике без визуализации. В концентрационной оптике он связывает угол приема с максимально возможной концентрацией . Сохранение etendue можно рассматривать как постоянный объем, движущийся в фазовом пространстве .

Интеграция Келера [ править ]

В некоторых приложениях важно достичь заданного рисунка освещенности (или освещенности ) цели, учитывая при этом движения или неоднородности источника. Рисунок «Интегратор Келера» справа иллюстрирует это для частного случая солнечной концентрации. Здесь источник света - солнце, движущееся по небу. Слева на этом рисунке показана линза L ₁ L _2, улавливающая солнечный свет, падающий под углом α к оптической оси, и концентрирующий его на приемнике L ₃ L _4.. 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, простирающуюся от L ₃ до L _4, которая захватывает свет от L ₁ L ₂ и перенаправляет его на приемник R ₁ R ₂ , как показано в середине рисунка.

Ситуация в середине рисунка показывает, что линза L ₁ L ₂ без визуализации сконструирована таким образом, что солнечный свет (здесь рассматривается как набор параллельных лучей), падающий под углом θ к оптической оси, будет концентрироваться в точке L _3. . С другой стороны, линза L ₃ L ₄ , не создающая изображения, сконструирована таким образом, что световые лучи, исходящие из L ₁ , фокусируются на R _2, а световые лучи, исходящие из L ₂ , фокусируются на R ₁ . Следовательно, луч r ₁падающая на первую линзу под углом θ будет перенаправлена ​​в сторону L ₃ . Когда он попадает во вторую линзу, он идет из точки L ₁ и перенаправляется второй линзой на R ₂ . С другой стороны, луч r _2, также падающий на первую линзу под углом θ , также будет перенаправлен в сторону L ₃ . Однако когда он попадает во вторую линзу, он идет из точки L ₂ и перенаправляется второй линзой на R ₁ . Промежуточные лучи, падающие на первую линзу под углом θ, будут перенаправлены в точки междуR ₁ и R ₂ , полностью освещающие ствольную коробку.

Нечто подобное происходит в ситуации, показанной на том же рисунке справа. Луч r _3, падающий на первую линзу под углом α < θ, будет перенаправлен к точке между L ₃ и L ₄ . Когда он попадает во вторую линзу, он идет из точки L ₁ и перенаправляется второй линзой на R ₂ . Кроме того, луч r _4, падающий на первую линзу под углом α < θ, будет перенаправлен в точку между L ₃ и L _4.. Когда он попадает во вторую линзу, он идет из точки L ₂ и перенаправляется второй линзой на R ₁ . Промежуточные лучи, падающие на первую линзу под углом α < θ, будут перенаправлены в точки между R ₁ и R ₂ , также полностью освещая приемник.

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

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

Составной параболический концентратор [ править ]

На рисунке напротив изображены два параболических зеркала CC ' (красный) и DD' (синий). Обе параболы разрезаются в точках B и A соответственно. A - фокус параболы CC ', а B - фокус параболы DD' . Область DC - это входная апертура, а плоский поглотитель - AB . Этот CPC имеет угол приема θ .

Параболический концентратор имеет входное отверстие DC и фокус F .

Параболический концентратор принимает только лучи света, перпендикулярные входной апертуре DC . 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 возможная концентрация в воздухе или в вакууме (равная отношению площадей входной и выходной апертур) составляет:

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

где - половинный угол приемного угла (большей апертуры). ^{[2] [20]}${\displaystyle \theta }$

История [ править ]

Разработка началась в середине 1960-х годов в трех разных местах В.К. Барановым ( СССР ) с изучения фокусов (фокусирующих конусов) ^{[21] [22]} Мартина Плоке (Германия), ^[23] и Роланда Уинстона (США). , ^[24] и привел к независимому происхождению первых концентраторов без изображения, ^[1] позже примененных 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 группа Advanced Optics в CeDInt , входящем в состав Технического университета Мадрида (UPM) . ^{[ необходима цитата ]}

См. Также [ править ]

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

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Оливер Дросс и др., Обзор методов проектирования SMS и реальных приложений , SPIE Proceedings Vol. 5529, стр. 35–47, 2004 г.
• Составной параболический концентратор для пассивного радиационного охлаждения
• Фотоэлектрические применения составного параболического концентратора (CPC)