Невизуализирующая оптика (также называемая анидолической оптикой ) [1] [2] [3] — это раздел оптики , который занимается оптимальной передачей светового излучения между источником и целью. В отличие от традиционной визуализирующей оптики, используемые методы не пытаются сформировать изображение источника; вместо этого требуется оптимизированная оптическая система для оптимальной передачи излучения от источника к цели.
Две проблемы проектирования, которые невизуализирующая оптика решает лучше, чем визуализирующая: [4]
Типичные переменные, которые необходимо оптимизировать на цели, включают в себя полный поток излучения , угловое распределение оптического излучения и пространственное распределение оптического излучения. Эти переменные на целевой стороне оптической системы часто должны быть оптимизированы, одновременно учитывая эффективность сбора оптической системы на источнике.
Для заданной концентрации невизуализирующая оптика обеспечивает максимально возможные углы приема и, следовательно, является наиболее подходящей для использования в солнечной концентрации, например, в концентрированных фотоэлектрических устройствах . По сравнению с «традиционной» визуализирующей оптикой (такой как параболические отражатели или линзы Френеля ), основными преимуществами невизуализирующей оптики для концентрации солнечной энергии являются: [5]
Кроме того, при низких концентрациях очень широкие углы приема невизуализирующей оптики позволяют вообще избежать слежения за Солнцем или ограничить его несколькими позициями в год.
Главным недостатком невизуальной оптики по сравнению с параболическими отражателями или линзами Френеля является то, что при высоких концентрациях они обычно имеют на одну оптическую поверхность больше, что немного снижает эффективность. Однако это заметно только тогда, когда оптика идеально направлена на Солнце, что обычно не так из-за несовершенства практических систем.
Примерами неизобразительных оптических устройств являются оптические световоды , неизобразительные отражатели , неизобразительные линзы или комбинация этих устройств. Распространенные применения неизобразительной оптики включают многие области светотехники ( освещения ). Примерами современных реализаций неизобразительных оптических конструкций являются автомобильные фары , подсветка ЖК-дисплеев , подсвеченные дисплеи приборной панели , оптоволоконные осветительные устройства, светодиодные фонари , проекционные дисплейные системы и светильники .
По сравнению с «традиционными» методами проектирования, неизобразительная оптика имеет следующие преимущества для освещения:
Примерами невизуальной осветительной оптики, использующей солнечную энергию, являются анодное освещение или солнечные трубы .
Современные портативные и носимые оптические устройства, а также системы малых размеров и веса могут потребовать нанотехнологий. Эту проблему может решить невизуализирующая метаоптика, которая использует металинзы и метазеркала для оптимальной передачи световой энергии. [6]
Сбор излучения, испускаемого при столкновениях частиц высокой энергии, с использованием наименьшего количества фотоумножительных трубок. [7]
Сбор люминесцентного излучения в устройствах преобразования фотонов [8] [9] с составным параболическим концентратором, являющимся на сегодняшний день наиболее перспективным геометрически-оптическим коллектором. [10]
Некоторые из методов проектирования невизуализирующей оптики также находят применение в устройствах формирования изображений, например, в некоторых устройствах со сверхвысокой числовой апертурой. [11]
Ранние академические исследования в области невизуальной оптической математики, направленные на поиск решений в замкнутой форме, были впервые опубликованы в виде учебника в книге 1978 года. [12] Современный учебник, иллюстрирующий глубину и широту исследований и разработок в этой области, был опубликован в 2004 году. [2] Подробное введение в эту область было опубликовано в 2008 году. [1]
Специальные применения невизуализирующей оптики, такие как линзы Френеля для концентрации солнечного света [13] или концентрации солнечного света в целом [14], также были опубликованы, хотя эта последняя ссылка О'Галлахера описывает в основном работу, разработанную несколько десятилетий назад. Другие публикации включают главы книг. [15]
Оптика, создающая изображение, может концентрировать солнечный свет, максимум, до того же потока, который находится на поверхности Солнца. Было показано, что оптика, не создающая изображение, может концентрировать солнечный свет до 84 000 раз большей интенсивности окружающего солнечного света, что превышает поток, обнаруженный на поверхности Солнца, и приближается к теоретическому пределу ( второй закон термодинамики ) нагрева объектов до температуры поверхности Солнца. [16]
Самый простой способ проектирования невизуализирующей оптики называется «метод струн» [17] , основанный на принципе краевого луча. Другие более продвинутые методы были разработаны, начиная с начала 1990-х годов, которые могут лучше справляться с протяженными источниками света, чем метод краевого луча. Они были разработаны в первую очередь для решения проблем проектирования, связанных с твердотельными автомобильными фарами и сложными системами освещения. Одним из этих продвинутых методов проектирования является метод одновременного проектирования нескольких поверхностей (SMS). Метод проектирования 2D SMS ( патент США 6,639,733 ) подробно описан в вышеупомянутых учебниках. Метод проектирования 3D SMS ( патент США 7,460,985 ) был разработан в 2003 году группой ученых-оптиков из Light Prescriptions Innovators. [18]
Проще говоря, принцип краевого луча гласит, что если световые лучи, исходящие из краев источника, перенаправить к краям приемника, это гарантирует, что все световые лучи, исходящие из внутренних точек источника, попадут на приемник. Нет никаких условий для формирования 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 спроектировать (используя метод проектирования SMS) так, чтобы световые лучи, исходящие от края S 1 источника, перенаправлялись к краю R 1 приемника, как показано синими лучами. По 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, следовательно, изображение не формируется.
На самом деле, если мы рассмотрим точку P на верхней поверхности линзы, луч, идущий от S 1 через P , будет перенаправлен к R 1 . Также луч, идущий от S 2 через P , будет перенаправлен к R 2 . Луч, идущий через P из внутренней точки S в источнике, будет перенаправлен к внутренней точке приемника. Затем эта линза гарантирует, что весь свет от источника, пересекающий ее, будет перенаправлен к приемнику. Однако изображение источника не формируется на цели. Наложение условия формирования изображения на приемник означало бы использование большего количества оптических поверхностей, что сделало бы оптику более сложной, но не улучшило бы передачу света между источником и целью (так как весь свет уже передан). По этой причине неизображающая оптика проще и эффективнее изображающей оптики в передаче излучения от источника к цели.
Устройства невизуализирующей оптики получаются с использованием различных методов. Наиболее важными являются: метод поточной линии или метод проектирования Уинстона -Велфорда , метод проектирования SMS или Миньяно-Бенитеса и метод проектирования Миньяно с использованием скобок Пуассона. Первый (поточная линия), вероятно, является наиболее используемым, хотя второй (SMS) оказался очень универсальным, что привело к широкому разнообразию оптики. Третий остался в области теоретической оптики и не нашел реального применения на сегодняшний день. Часто также используется оптимизация . [ необходима цитата ]
Обычно оптика имеет преломляющие и отражающие поверхности, и свет проходит через среды с различными показателями преломления , когда он пересекает оптику. В этих случаях величина, называемая оптической длиной пути (OPL), может быть определена как, где индекс i указывает различные сечения луча между последовательными отклонениями (преломлениями или отражениями), n i — показатель преломления, а d i — расстояние в каждом сечении i траектории луча.
OPL постоянен между волновыми фронтами . [1] Это можно увидеть для рефракции на рисунке «постоянный OPL» справа. Он показывает разделение 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 распространяющихся в среде с показателем преломления n 1 . Эти лучи преломляются в точке 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 . Аналогично, луч r B идентифицируется параметром τ B на c . Луч r A имеет оптическую длину пути S ( τ A ) = n 1 d 5 + n 2 d 6 . Также луч r B имеет оптическую длину пути S ( τ B ) = n 1 d 7 + n 2 d 8 . Разница в оптической длине пути для лучей r A и r B определяется по формуле:
Чтобы вычислить значение этого интеграла, мы оцениваем S ( τ + dτ ) − S ( τ ) , снова с помощью того же рисунка. Мы 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 как S ( 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 2 и, 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 оптическая длина пути между w 1 и w 2 одинакова для всех лучей, перпендикулярных входящему волновому фронту w 1 и исходящему волновому фронту w 2 .
Аналогичные выводы можно сделать и для случая отражения, только в этом случае n 1 = n 2. Эта связь между лучами и волновыми фронтами справедлива в общем случае.
Метод проектирования поточной линии (или Уинстона-Велфорда) обычно приводит к оптике, 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 неизображающей оптики к конструкции зеркальной оптики, как показано на рисунке "CEC" справа. Она 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 e 1 перенаправляет лучи, идущие от края S 1 источника к краю R 1 приемника, и, по симметрии, зеркало e 2 перенаправляет лучи, идущие от края S 2 источника к краю R 2 приемника. Это устройство не формирует изображение источника S 1 S 2 на приемнике R 1 R 2 , как указано зелеными лучами, идущими из точки S в источнике, которые заканчиваются на приемнике, но не фокусируются на точке изображения. Зеркало e 2 начинается на краю R 1 приемника, так как оставление зазора между зеркалом и приемником позволило бы свету выходить между ними. Кроме того, зеркало e 2 заканчивается на луче r, соединяющем S 1 и R 2, так как его укорочение не позволило бы ему захватить как можно больше света, но продление его выше r затенило бы свет, идущий от S 1 и соседних с ним точек источника. Полученное устройство называется CEC (Compound Elliptical Concentrator).
Частный случай этой конструкции происходит, когда источник S 1 S 2 становится бесконечно большим и перемещается на бесконечное расстояние. Тогда лучи, исходящие из S 1 , становятся параллельными, то же самое касается и лучей, исходящих из S 2 , а эллиптические зеркала e 1 и e 2 сходятся в параболические зеркала p 1 и p 2 . Полученное устройство называется CPC (Compound Parabolic Concentrator) и показано на рисунке «CPC» слева. CPC являются наиболее распространенной неизображающей оптикой. Они часто используются для демонстрации разницы между изображающей и неизображающей оптикой.
При наблюдении со стороны CPC входящее излучение (испускаемое бесконечным источником на бесконечном расстоянии) образует угол ± θ (полный угол 2 θ ). Это называется углом приема CPC. Причину такого названия можно понять на рисунке «лучи, показывающие угол приема» справа. Входящий луч r 1 под углом θ к вертикали (исходящий от края бесконечного источника) перенаправляется CPC к краю R 1 приемника.
Другой луч r 2 под углом α < θ к вертикали (исходящий из внутренней точки бесконечного источника) перенаправляется к внутренней точке приемника. Однако луч r 3 под углом β > θ к вертикали (исходящий из точки вне бесконечного источника) отражается внутри CPC, пока не будет отклонен ею. Таким образом, только свет внутри угла приема ± θ улавливается оптикой; свет вне ее отклоняется.
Эллипсы CEC могут быть получены методом (штифтов и) струны , как показано на рисунке «метод струны» слева. Струна постоянной длины прикреплена к точке края S 1 источника и точке края R 1 приемника.
Нить удерживается натянутой, пока карандаш двигается вверх и вниз, рисуя эллиптическое зеркало e 1 . Теперь мы можем рассматривать волновой фронт w 1 как окружность с центром в точке S 1 . Этот волновой фронт перпендикулярен всем лучам, исходящим 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 точке R 1 . Расстояние от w 1 до w 2 тогда постоянно 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 .
Оптическая длина пути (OPL) постоянна между волновыми фронтами. Применительно к невизуализирующей оптике этот результат расширяет метод струны на оптику как с преломляющими, так и с отражающими поверхностями. На рисунке слева "DTIRC" (диэлектрический концентратор полного внутреннего отражения) показан один из таких примеров.
Форма верхней поверхности s задана, например, как круг. Тогда боковая стенка m 1 рассчитывается из условия постоянства 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 Q и выходящим волновым фронтом w 2 , который является круговым и центрирован в точке R 1 . Боковая стенка m 2 симметрична m 1 . Угол приема устройства равен 2 θ .
Такая оптика называется оптикой линий потока, и причина этого проиллюстрирована на рисунке "Линии потока CPC" справа. На нем показан CPC с углом приема 2 θ , выделяющий одну из его внутренних точек P .
Свет, пересекающий эту точку, ограничен конусом с угловой апертурой 2 α . Также показана линия f , касательная которой в точке P делит пополам этот конус света и, следовательно, указывает в направлении «светового потока» в точке P . На рисунке также показано несколько других таких линий. 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 линиями потока, а сам CPC представляет собой просто комбинацию линии потока p 1 , начинающейся в R 2 , и p 2 , начинающейся в R 1 .
Существуют некоторые вариации метода проектирования поточной линии. [1]
Разновидностью является многоканальная или ступенчатая оптика потока, в которой свет разделяется на несколько «каналов», а затем снова рекомбинируется в один выход. Также были разработаны апланатические (частный случай SMS) версии этих конструкций. [19] Основное применение этого метода — проектирование сверхкомпактной оптики.
Другой вариант — ограничение света каустикой . Вместо ограничения света двумя отражающими поверхностями, он ограничивается отражающей поверхностью и каустикой краевых лучей. Это дает возможность добавлять к оптике неоптические поверхности без потерь.
В этом разделе описывается
метод проектирования невизуальной оптики, известный в этой области как метод одновременной множественной поверхности (SMS) или метод проектирования Миньяно-Бенитеса. Аббревиатура SMS происходит от того факта, что он позволяет одновременно проектировать несколько оптических поверхностей. Первоначальная идея принадлежит Миньяно. Сам метод проектирования изначально был разработан в 2-D Миньяно, а затем также Бенитесом. Первое обобщение на 3-D геометрию принадлежит Бенитесу. Затем он был значительно развит благодаря вкладам Миньяно и Бенитеса. Другие люди работали сначала с Миньяно, а затем с Миньяно и Бенитесом над программированием метода. [1]
Процедура проектирования
связан с алгоритмом, который использовал Шульц [20] [21] при проектировании асферических линз для формирования изображений. [1]
Метод проектирования SMS (или Miñano-Benitez) очень универсален, и с его помощью было разработано множество различных типов оптики. 2D-версия позволяет проектировать две (хотя возможно и больше) асферические поверхности одновременно. 3D-версия позволяет проектировать оптику с поверхностями свободной формы (также называемыми анаморфными), которые могут не иметь никакой симметрии.
SMS-оптика также рассчитывается путем применения постоянной длины оптического пути между волновыми фронтами. Рисунок «SMS-цепочка» справа иллюстрирует, как рассчитывается эта оптика. В общем случае 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 , разработанная для источника S 1 S 2 и приемника R 1 R 2 .
Лучи, испускаемые краем S 1 источника, фокусируются на крае R 1 приемника, а лучи, испускаемые краем S 2 источника, фокусируются на крае R 2 приемника. Сначала мы выбираем точку T 0 и ее нормаль на верхней поверхности линзы. Теперь мы можем взять луч r 1 , исходящий из S 2 , и преломить его в точке T 0 . Выбирая теперь оптическую длину пути S 22 между S 2 и R 2 , мы имеем одно условие, которое позволяет нам вычислить точку B 1 на нижней поверхности линзы. Нормаль в точке B 1 также можно вычислить из направлений входящих и исходящих лучей в этой точке и показателя преломления линзы. Теперь мы можем повторить процесс, взяв луч r 2 , исходящий из R 1 , и преломив его в точке B 1 . Выбирая теперь оптическую длину пути S 11 между R 1 и S 1 , мы имеем одно условие, которое позволяет нам вычислить точку T 1 на верхней поверхности линзы. Нормаль в точке T 1 также может быть рассчитана из направлений входящих и исходящих лучей в этой точке и показателя преломления линзы. Теперь, преломляя в точке T 1 луч r 3 , исходящий из точки S 2 , мы можем вычислить новую точку B 3 и соответствующую нормаль на нижней поверхности, используя ту же оптическую длину пути S 22 между точками S 2 и R 2 . Преломляя в точке B 3 луч r 4 , исходящий из точки R 1 , мы можем вычислить новую точку T 3 и соответствующую нормаль на верхней поверхности, используя ту же оптическую длину пути S 11 между точками R 1 и S 1 . Процесс продолжается вычислением 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.
Другая цепь SMS может быть построена в направлении вправо, начиная с точки T 0 . Луч из S 1 , преломленный в точке T 0 , определяет точку и нормаль B 2 на нижней поверхности, используя постоянную оптическую длину 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 оптическую длину пути S 22 между S 2 и R 2 . Процесс продолжается по мере добавления новых точек в цепь 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 симметрией относительно вертикальной оси линзы.
Теперь у нас есть последовательность разнесенных точек на плоскости. Рисунок "SMS skinning" слева иллюстрирует процесс, используемый для заполнения промежутков между точками, полностью определяя обе оптические поверхности.
Мы выбираем две точки, скажем B 1 и B 2 , с их соответствующими нормалями и интерполируем кривую c между ними. Теперь мы выбираем 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 самую постоянную оптическую длину пути S 11 между S 1 и R 1 . Теперь луч r 2 , исходящий из S 2 и преломленный в T 01 , определяет новую точку и нормаль на нижней поверхности, применяя ту же самую постоянную оптическую длину пути S 22 между S 2 и R 2 . Процесс продолжается с лучами r 3 и r 4 , строящими 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.
В общем случае, две оптические поверхности SMS не обязательно должны быть преломляющими. Преломляющие поверхности обозначаются как R (от Refraction), а отражающие — как X (от испанского слова refleXión). Полное внутреннее отражение (TIR) обозначается как I. Таким образом, линза с двумя преломляющими поверхностями называется оптикой RR, а другая конфигурация с отражающей и преломляющей поверхностью — оптикой XR. Возможны также конфигурации с большим количеством оптических поверхностей, например, если свет сначала преломляется (R), затем отражается (X), а затем снова отражается TIR (I), то оптика называется RXI.
SMS 3D похож на SMS 2D , только теперь все вычисления производятся в 3D пространстве. Рисунок "SMS 3D chain" справа иллюстрирует алгоритм расчета SMS 3D.
Первый шаг — выбрать входящие волновые фронты w 1 и w 2 и исходящие волновые фронты w 3 и w 4 , а также оптическую длину пути S 14 между w 1 и w 4 и оптическую длину 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 из различий между SMS 2D и SMS 3D заключается в том, как выбрать начальную точку T 0 , которая 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 с оптической длиной пути S 14 новая точка B 2 и ее нормаль получаются на нижней поверхности. Теперь луч r 2 , исходящий из w 3 , преломляется в точке B 2 и с длиной оптического пути S 23 на верхней поверхности получается новая точка T 2 и ее нормаль. С лучом r 3 получается новая точка B 2 и ее нормаль, с лучом r 4 получается новая точка T 4 и ее нормаль и т. д. Этот процесс выполняется в трехмерном пространстве, и результатом является трехмерная цепочка SMS. Как и в случае с SMS 2D, набор точек и нормалей слева от T 0 также может быть получен с помощью 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 сами по себе свободной формы, что придает методу большую гибкость. Кроме того, проектируя оптику с отражающими поверхностями или комбинациями отражающих и преломляющих поверхностей, возможны различные конфигурации.
Этот метод проектирования был разработан Миньяно и основан на гамильтоновой оптике , гамильтоновой формулировке геометрической оптики [1] [2], которая разделяет большую часть математической формулировки с гамильтоновой механикой . Он позволяет проектировать оптику с переменным показателем преломления и, следовательно, решает некоторые невизуализирующие проблемы, которые не решаются другими методами. Однако изготовление оптики с переменным показателем преломления все еще невозможно, и этот метод, хотя и потенциально мощный, пока не нашел практического применения.
Сохранение etendue является центральной концепцией в невизуализирующей оптике. В концентрационной оптике оно связывает угол приема с максимально возможной концентрацией . Сохранение etendue можно рассматривать как постоянный объем, движущийся в фазовом пространстве .
В некоторых приложениях важно достичь заданного рисунка облученности (или освещенности ) на цели, допуская при этом движения или неоднородности источника. Рисунок «Интегратор Келера» справа иллюстрирует это для частного случая концентрации солнечного света. Здесь источником света является 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 концентрирующая его на приемнике L 3 L 4 . Как видно, этот свет концентрируется на горячей точке на приемнике. Это может быть проблемой в некоторых приложениях. Одним из способов решения этой проблемы является добавление новой линзы, простирающейся от L 3 до L 4 , которая улавливает 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 неизображающая линза L 1 L 2 спроектирована таким образом, что солнечный свет (здесь рассматриваемый как набор параллельных лучей), падающий под углом θ к оптической оси, будет концентрироваться в точке L 3 . С другой стороны, неизображающая линза L 3 L 4 спроектирована 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 1 , падающий на первую линзу под углом θ , будет перенаправлен в сторону L 3 . Когда он попадает на вторую линзу, он исходит из точки L 1 и перенаправляется второй линзой в сторону 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 на вторую линзу, он исходит из точки L 2 и перенаправляется второй линзой в сторону R 1 . Промежуточные лучи, падающие на первую линзу под углом θ, будут перенаправляться в точки между R 1 и R 2 , полностью освещая приемник.
Нечто подобное происходит в ситуации, показанной на том же рисунке справа. Луч r 3 , падающий на первую линзу под углом α < θ, будет перенаправлен в точку между L 3 и L 4 . Когда он попадает на вторую линзу, он исходит из точки L 1 и перенаправляется второй линзой в R 2 . Также луч r 4 , падающий на первую линзу под углом α < θ, будет перенаправлен в точку между L 3 и L 4 . Когда он попадает на вторую линзу, он исходит из точки L 2 и перенаправляется второй линзой в 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.
Эта комбинация оптических элементов называется освещением Кёлера . [22] Хотя приведенный здесь пример был для концентрации солнечной энергии, те же принципы применимы к освещению в целом. На практике оптика Кёлера обычно не проектируется как комбинация невизуализирующей оптики, а является упрощенной версией с меньшим количеством активных оптических поверхностей. Это снижает эффективность метода, но позволяет использовать более простую оптику. Кроме того, оптика Кёлера 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 Френель-Р Кёлер. [23]
На рисунке напротив показаны два параболических зеркала CC' (красное) и DD' (синее). Обе параболы разрезаны в точках B и A соответственно. A — фокус параболы CC' , а B — фокус параболы DD'. Площадь DC — входное отверстие, а плоский поглотитель — AB . Этот CPC имеет угол приема θ .
Параболический концентратор имеет входное отверстие DC и фокусную точку F.
Параболический концентратор принимает только лучи света, перпендикулярные входному отверстию DC . Отслеживание этого типа концентратора должно быть более точным и требует дорогостоящего оборудования.
Составной параболический концентратор принимает большее количество света и требует менее точного отслеживания.
Для трехмерного «не создающего изображения составного параболического концентратора» максимально возможная концентрация в воздухе или в вакууме (равная отношению площадей входной и выходной апертур) составляет:
где - половина угла приема (большей апертуры). [2] [24]
Разработка началась в середине 1960-х годов в трех разных местах В.К. Барановым ( СССР ) с изучения фоконов (фокусирующих конусов) [25] [26] Мартином Плоке (Германия) [27] и Роландом Уинстоном (США) [28] и привела к независимому появлению первых неизобразительных концентраторов [1] , позднее примененных для концентрации солнечной энергии. [29] Среди этих трех самых ранних работ наиболее развитой была американская, в результате чего возникла современная неизобразительная оптика [1] .
Хорошее введение было опубликовано - Уинстоном, Роландом. «Оптика без создания изображений». Scientific American, т. 264, № 3, 1991, стр. 76–81. JSTOR, [2]
Существуют различные коммерческие компании и университеты, работающие над невизуализирующей оптикой. В настоящее время крупнейшей исследовательской группой в этой области является группа Advanced Optics в CeDInt, часть Технического университета Мадрида (UPM) . [ необходима цитата ]
