Неотображающая оптика (также называемая анидольной оптикой ) [1] [2] [3] — раздел оптики , занимающийся оптимальной передачей светового излучения между источником и мишенью. В отличие от традиционной оптики формирования изображений , используемые методы не пытаются сформировать изображение источника; вместо этого желательна оптимизированная оптическая система для оптимальной передачи излучения от источника к мишени.
Две проблемы проектирования, которые неотображающая оптика решает лучше, чем визуализирующая оптика: [4]
Типичные переменные, которые необходимо оптимизировать на цели, включают общий 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 в источнике.
Для заданной концентрации неизображающая оптика обеспечивает максимально широкие углы приема и, следовательно, наиболее подходит для использования в условиях солнечной концентрации, как, например, в концентрированных фотогальваниках . По сравнению с «традиционной» оптикой формирования изображения (такой как параболические отражатели или линзы Френеля ) основными преимуществами оптики без изображения для концентрации солнечной энергии являются: [5]
Кроме того, при низких концентрациях очень широкие углы восприятия неотображающей оптики могут вообще избежать слежения за Солнцем или ограничить его несколькими позициями в год.
Основным недостатком оптики, не создающей изображения, по сравнению с параболическими отражателями или линзами Френеля является то, 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 происходит из-за несовершенства практических систем.
Примеры оптических устройств, не создающих изображения, включают оптические световоды , отражатели , не создающие изображения, линзы , не создающие изображения , или комбинацию этих устройств. Общие применения невизуальной оптики включают многие области светотехники ( освещения ). Примеры современных реализаций оптических конструкций без изображения включают автомобильные фары , ЖК-подсветку , дисплеи на приборной панели с подсветкой , оптоволоконные осветительные устройства, светодиодные фонари , системы проекционного отображения и светильники .
По сравнению с «традиционными» методами проектирования невизуальная оптика имеет следующие преимущества для освещения:
Примерами неотображающей осветительной оптики, использующей солнечную энергию, являются анидольное освещение или солнечные трубы .
Современные портативные и носимые оптические устройства, а также системы небольших размеров и веса могут потребовать нанотехнологий. Эту проблему можно решить с помощью метаоптики без визуализации, которая использует металинзы и метазеркала для оптимальной передачи световой энергии. [6]
Сбор излучения, испускаемого в результате столкновений частиц высоких энергий, с использованием наименьшего количества фотоумножителей . [7]
Сбор люминесцентного излучения в устройствах с повышением частоты преобразования фотонов [8] [9] с составным параболическим концентратором, являющимся на сегодняшний день наиболее перспективным коллектором в геометрической оптике. [10]
Некоторые методы проектирования неотображающей оптики также находят применение в устройствах формирования изображения, например, со сверхвысокой числовой апертурой. [11]
Ранние академические исследования в области оптической математики без визуализации в поисках 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]
Также были опубликованы специальные применения неотображающей оптики, такой как линзы Френеля для измерения концентрации Солнца [13] или концентрации Солнца в целом [14] , хотя эта последняя ссылка О'Галлахера описывает в основном работу, разработанную несколько десятилетий назад. Другие публикации включают главы книг. [15]
Оптика визуализации может концентрировать солнечный свет максимум до того же потока, что и на поверхности Солнца. Было продемонстрировано, что оптика без изображения концентрирует солнечный свет в 84 000 раз выше интенсивности окружающего солнечного света, что превышает поток, обнаруженный на поверхности Солнца, и приближается к теоретическому ( 2-й закон термодинамики ) пределу нагрева объектов до температуры поверхности Солнца. [16]
Простейший способ создания неизображающей оптики называется «методом струн» [17] и основан на принципе краевых лучей. В начале 1990-х годов были разработаны другие, более совершенные методы, которые лучше справляются с протяженными источниками света, чем метод краевых лучей. Они были разработаны в первую очередь для решения проблем проектирования, связанных с полупроводниковыми автомобильными фарами и сложными системами освещения. Одним из таких передовых методов проектирования является метод одновременного проектирования нескольких поверхностей (SMS). Метод проектирования 2D SMS ( патент США 6639733 ) подробно описан в вышеупомянутых учебниках. Метод проектирования 3D SMS ( патент США 7 460 985 ) был разработан в 2003 году командой ученых-оптиков компании Light Prescriptions Innovators. [18]
Проще говоря, принцип краевых лучей гласит, что если лучи света, исходящие от краев источника, перенаправляются к краям приемника, это гарантирует, что все световые лучи, исходящие из внутренних точек источника, окажутся на получатель. Никаких условий по формированию изображения нет, единственная цель — передать свет от источника к мишени.
Рисунок Принцип краевых лучей справа иллюстрирует этот принцип. Линза собирает свет от источника S 1 S 2 и перенаправляет его на приемник R 1 R 2 .
Линза имеет две оптические поверхности и, следовательно, ее можно сконструировать (методом проектирования СМС) так, чтобы лучи света, идущие от края S 1 источника, перенаправлялись к краю R 1 приемника, на что указывает синие лучи. По симметрии лучи, исходящие от края S 2 источника, перенаправляются к краю R 2 приемника, на что указывают красные лучи. Лучи, исходящие из внутренней точки S источника, перенаправляются к цели, но не концентрируются в точке и, следовательно, изображение не формируется.
Действительно, если мы рассмотрим точку P на верхней поверхности линзы, луч, идущий от S1 через P , будет перенаправлен в сторону R1 . Также луч, идущий от S2 через P , будет перенаправлен в сторону R2 . Луч, проходящий через P из внутренней точки S источника, будет перенаправлен во внутреннюю точку приемника. Эта линза гарантирует, что весь свет от источника, пересекающего ее, будет перенаправлен на приемник. Однако на мишени не формируется изображение источника. Наложение условия формирования изображения на приемник потребует использования большего количества оптических поверхностей, что усложнит оптику, но не улучшит передачу света между источником и целью (поскольку весь свет уже передан). По этой причине неотображающая оптика проще и эффективнее визуализирующей оптики переносит излучение от источника к мишени.
Приборы невизуальной оптики получают разными методами. Наиболее важными из них являются: метод расчета поточной линии или метод Уинстона- Уэлфорда , метод расчета СМС или метод Миньяно-Бенитеса и метод расчета Миньяно с использованием скобок Пуассона. Первый (поточный), вероятно, используется наиболее часто, хотя второй (SMS) оказался очень универсальным, что привело к появлению большого разнообразия оптики. Третий остался в области теоретической оптики и до сих пор не нашел реального применения. Часто также используется оптимизация . [ нужна цитата ]
Обычно оптика имеет преломляющие и отражающие поверхности, и свет проходит через среду с разными показателями преломления, когда он пересекает оптику. В этих случаях величина, называемая длиной оптического пути (OPL), может быть определена следующим образом: где индекс i указывает на различные участки луча между последовательными отклонениями (преломлениями или отражениями), n i - показатель преломления, а d i - расстояние в каждом участке i луча. путь.
OPL постоянен между волновыми фронтами . [1] Это можно увидеть по рефракции на рисунке «постоянная 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 р A имеет длину оптического пути S ( τ A ) знак равно п 1 d 5 + п 2 d 6 . Кроме того, луч r B имеет оптическую длину пути S ( τ B ) = n 1 d 7 + n 2 d 8 . Разница в длине оптического пути лучей r A и r B определяется выражением:
Чтобы вычислить значение этого интеграла, мы оцениваем S ( τ + dτ ) − S ( τ ) снова с помощью того же рисунка. У нас есть S ( τ ) знак равно n 1 d 1 + n 2 ( d 3 + d 4 ) и S ( τ + dτ ) знак равно 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 длина оптического 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 в целом справедлива.
Метод проектирования поточной линии (или Уинстона-Велфорда) обычно приводит к созданию оптики, которая направляет свет, удерживая его между двумя отражающими поверхностями. Самым известным из этих устройств является CPC (составной параболический концентратор).
Эти типы оптики можно получить, например, путем применения краевого луча неотображающей оптики к конструкции зеркальной оптики, как показано на рисунке «CEC» справа. Он состоит из двух эллиптических зеркал е 1 с фокусами S 1 и R 1 и его симметричного е 2 с фокусами S 2 и R 2 .
Зеркало е 1 перенаправляет лучи, идущие от края S 1 источника, к краю R 1 приемника, а зеркало е 2 по симметрии перенаправляет лучи, идущие от края S 2 источника, к краю R 2 приемника. получатель. Это устройство не формирует изображение источника S 1 S 2 на приемнике R 1 R 2 , на что указывают зеленые лучи, исходящие из точки S в источнике, которые попадают на приемник, но не фокусируются на точке изображения. Зеркало e 2 начинается на краю R 1 приемника, поскольку оставление зазора между зеркалом и приемником позволит свету проходить между ними. Кроме того, зеркало e 2 заканчивается на луче r , соединяющем S 1 и R 2 , поскольку его укорочение не позволит ему улавливать как можно больше света, но удлинение его выше r затенит свет, исходящий от S 1 и соседних с ним точек источника. Полученное устройство называется CEC (составной эллиптический концентратор).
Частный случай такой конструкции имеет место, когда источник S 1 S 2 становится бесконечно большим и перемещается на бесконечное расстояние. Тогда лучи, идущие от S1 , становятся параллельными лучами и такими же для лучей, приходящих от S2 , а эллиптические зеркала e1 и e2 сходятся к параболическим зеркалам p1 и p2 . Полученное устройство называется CPC (составной параболический концентратор) и показано на рисунке «CPC» слева. CPC — наиболее распространенная невизуальная оптика. Их часто используют для демонстрации разницы между визуализирующей и невизуализирующей оптикой.
Если смотреть со стороны CPC, падающее излучение (испускаемое бесконечным источником на бесконечном расстоянии) образует угол ± θ (общий угол 2 θ ). Это называется приемным углом КПК. Причину такого названия можно понять по рисунку «лучи, показывающие угол приема» справа. Входящий луч r 1 под углом θ к вертикали (исходящий от края бесконечного источника) перенаправляется ЦПК в сторону края R 1 приемника.
Другой луч r 2 под углом α < θ к вертикали (исходящий 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 ЦПК до тех пор, пока не будет отвергнут ею. Следовательно, оптикой улавливается только свет внутри угла восприятия ± θ ; свет снаружи его отвергается.
Эллипсы CEC можно получить методом (pins and) string , как показано на рисунке «строковый метод» слева. К граничной точке S 1 источника и граничной точке R 1 приемника прикреплена струна постоянной длины .
Нить удерживают натянутой, 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 S1 , а расстояние от S1 до w1 постоянно для всех его точек. То же самое справедливо и для волнового фронта w 2 с центром в R 1 . Тогда расстояние от w 1 до w 2 является постоянным для всех световых лучей, отраженных от точки 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 волновыми фронтами. Применительно к оптике, не создающей изображения, этот результат расширяет метод струн на оптику как с преломляющими, так и с отражающими поверхностями. На рисунке «DTIRC» (диэлектрический концентратор полного внутреннего отражения) слева показан один из таких примеров.
Форма верхней поверхности s задана, например, в виде круга. Тогда 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 фронтом входящей волны w 1 и точкой P на верхней поверхности s , d 2 – расстояние между P и Q и d 3 расстояние между Q и исходящим волновым фронтом w 2 , который имеет круглую форму и центрирован в R 1 . Боковая стенка m 2 симметрична m 1 . Угол принятия устройства составляет 2 θ .
Эта оптика называется поточной оптикой, и причина этого показана на рисунке «Потоковые линии CPC» справа. На нем показана КПК с приемочным углом 2 θ , выделена одна из ее внутренних точек P.
Свет, пересекающий эту точку, ограничивается конусом с угловой апертурой 2α . Показана также линия f , касательная которой в точке P делит этот световой конус пополам и, следовательно, указывает в направлении «светового потока» в точке P. На рисунке также показаны еще несколько таких линий. Все они делят краевые лучи пополам в каждой точке внутри CPC, и по этой причине их касательная в каждой точке указывает в направлении потока света. Они называются линиями потока, а сама CPC представляет собой просто комбинацию линии потока p 1 , начинающейся с R 2 , и p 2, начинающейся с R 1 .
Существуют некоторые вариации метода проектирования поточной линии. [1]
Разновидностью является многоканальная или ступенчатая оптика, в которой свет разделяется на несколько «каналов», а затем снова объединяется в один выходной сигнал. Разработаны также апланатические (частный случай СМС) варианты этих конструкций. [19] Основное применение этого метода — создание сверхкомпактной оптики.
Другой вариант — удержание света каустиками . Вместо того, чтобы свет ограничивался двумя отражающими поверхностями, он ограничивается отражающей поверхностью и каустикой краевых лучей. Это дает возможность добавлять к оптике неоптические поверхности без потерь.
В этом разделе описываются
метод проектирования оптики без изображения, известный в этой области как метод одновременного множества поверхностей (SMS) или метод проектирования Миньяно-Бенитеса. Аббревиатура SMS возникла из-за того, что она позволяет одновременно проектировать несколько оптических поверхностей. Оригинальная идея принадлежит Миньяно. Сам метод проектирования первоначально был разработан в 2D Миньяно, а затем и Бенитесом. Первое обобщение трехмерной геометрии принадлежит Бенитесу. Затем оно получило дальнейшее развитие благодаря вкладам Миньяно и Бенитеса. Другие люди работали сначала с Миньяно, а затем с Миньяно и Бенитесом над программированием этого метода. [1]
Процедура проектирования
связано с алгоритмом, использованным Шульцем [20] [21] при проектировании асферических линз. [1]
Метод проектирования SMS (или Миньяно-Бенитеса) очень универсален, и с его помощью было разработано множество различных типов оптики. Версия 2D позволяет проектировать две (хотя возможно и большее количество) асферических поверхностей одновременно. 3D-версия позволяет проектировать оптику с поверхностями произвольной формы (также называемыми анаморфотными), которые могут не иметь какой-либо симметрии.
Оптика SMS также рассчитывается путем применения постоянной длины оптического пути между волновыми фронтами. Рисунок «Цепочка СМС» справа иллюстрирует, 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 соединяться с выходящим волновым фронтом w 3 , и эти волновые фронты могут иметь любую форму. Однако для простоты на этом рисунке показан частный случай круговых волновых фронтов. 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 краем S1 источника, фокусируются на ребре R1 приемника , а лучи, испускаемые краем S2 источника , фокусируются на ребре R2 приемника . Сначала выбираем точку Т 0 и ее нормаль на верхней поверхности линзы. Теперь мы можем взять луч r1 , исходящий из S2 , и преломить его в точке T0 . Выбирая теперь длину оптического 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 рассчитать по направлениям входящих и выходящих лучей в этой точке и показателю преломления линзы. Теперь мы можем повторить процесс, взяв луч r2 , исходящий из R1 , и преломляя его в точке B1 . Выбирая теперь длину оптического пути S 11 между R 1 и S 1 , мы имеем одно условие, которое позволяет нам вычислить точку Т 1 на верхней поверхности линзы. Нормаль при Т 1 также можно рассчитать по направлениям входящих и выходящих лучей в этой точке и показателю преломления линзы. Теперь, преломляя в Т 1 луч r 3 , идущий из S 2 , мы можем вычислить новую точку B 3 и соответствующую нормаль на нижней поверхности, используя ту же самую длину оптического пути S 22 между S 2 и R 2 . Преломляя в B3 луч r4 , исходящий из R1 , мы можем вычислить новую точку T3 и соответствующую нормаль на верхней поверхности , используя ту же самую длину оптического пути S11 между R1 и S1 . Процесс продолжается расчетом еще одной точки B 5 на нижней поверхности с использованием еще одного 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 одну цепочку SMS можно построить вправо, начиная с точки T 0 . Луч от S1 , преломленный в точке T0 , определяет точку и нормаль B2 на нижней поверхности, используя постоянную длину оптического пути S11 между S1 и R1 . Теперь луч от R 2 , преломленный в B 2 , определяет новую точку и нормаль T 2 на верхней поверхности, используя постоянную длину оптического пути S 22 между S 2 и R 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 симметрией относительно вертикальной оси линзы.
Теперь у нас есть последовательность разнесенных точек на плоскости. Рисунок «Скининг SMS» слева иллюстрирует процесс заполнения промежутков между точками, полностью определяя обе оптические поверхности.
Мы выбираем две точки, скажем, B1 и B2 , с соответствующими нормалями и интерполируем кривую c между ними. Теперь мы выбираем точку B 12 и ее нормаль к c . Луч r 1 , исходящий из R 1 и преломляющийся в B 12 , определяет новую точку T 01 и ее нормаль между T 0 и T 1 на верхней поверхности путем применения той же постоянной длины оптического пути S 11 между S 1 и R 1 . Теперь луч r 2 , исходящий из S 2 и преломленный в точке T 01 , определяет новую точку и нормаль на нижней поверхности, применяя ту же самую постоянную длину оптического пути S 22 между S 2 и R 2 . Процесс продолжается лучами r 3 и r 4 , строящими новую цепочку SMS, заполняющими промежутки между точками. Выбор других точек и соответствующих нормалей на кривой c дает нам больше точек между другими точками SMS, рассчитанными изначально.
В общем, две оптические поверхности SMS не обязательно должны быть преломляющими. Преломляющие поверхности обозначаются буквой R (от Refraction), а отражающие поверхности — X (от испанского слова refleXión). Полное внутреннее отражение (TIR) отмечено I. Таким образом, линза с двумя преломляющими поверхностями является оптикой RR, а другая конфигурация с отражающей и преломляющей поверхностью - оптикой 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 выполняются 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 и 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 (оптику RR) с двумя преломляющими поверхностями, поэтому необходимо также указать ее показатель преломления. Одно из различий между SMS 2D и SMS 3D заключается в том, как выбрать начальную точку T 0 , которая теперь находится на выбранной 3D-кривой a . Нормаль, выбранная для точки Т0 , должна быть перпендикулярна кривой а . 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 ее нормаль. Теперь луч r 2 , исходящий от w 3 , преломляется в точке B 2 и при длине оптического пути S 23 на верхней поверхности получается новая точка Т 2 и ее нормаль. С лучом r3 получается новая точка B2 и ее нормаль, с лучом r4 получается новая точка T4 и ее нормаль и так далее. Этот процесс выполняется в трехмерном пространстве, и в результате получается трехмерная SMS-цепочка. 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 Т 0 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 сами могут иметь произвольную форму, что придает методу большую гибкость. Кроме того, путем разработки оптики 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 во многом разделяет математическую формулировку с гамильтоновой механикой . Он позволяет создавать оптику с переменным показателем преломления и, следовательно, решает некоторые проблемы, не связанные с изображением, которые не решаются другими методами. Однако изготовление оптики с переменным показателем преломления до сих пор невозможно, и этот метод, хотя и потенциально мощный, пока не нашел практического применения.
Сохранение etendue — центральная концепция невизуирующей оптики. В концентрационной оптике он связывает угол приема с максимально возможной концентрацией . Сохранение etendue можно рассматривать как постоянный объем, движущийся в фазовом пространстве .
В некоторых приложениях важно достичь заданной картины излучения (или освещенности ) на цели, допуская при этом движения или неоднородности источника. Рисунок «Интегратор Келера» справа иллюстрирует это для частного случая концентрации Солнца. Здесь источником света является движущееся по небу солнце. 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 в горячей точке на приемнике. Это может быть проблемой в некоторых приложениях. Один из способов обойти эту проблему — добавить новую линзу, простирающуюся 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 неотображающая линза L 1 L 2 сконструирована таким образом, что солнечный свет (здесь рассматриваемый как совокупность параллельных лучей), падающий под углом θ к оптической оси, будет сконцентрирован в точке L 3 . . С другой стороны, неизображающая линза L 3 L 4 сконструирована таким образом, что лучи света, исходящие от L 1, фокусируются на R 2 , а лучи света, исходящие от L 2 , фокусируются на R 1 . Следовательно, луч r1 , падающий на первую линзу под углом θ , будет перенаправлен в сторону L3 . Когда он попадает на вторую линзу, он исходит из точки L1 и перенаправляется второй линзой в R2 . С другой стороны, луч r2 , также падающий на первую линзу под углом θ , также будет перенаправлен в сторону L3 . Однако когда он попадает на вторую линзу, он исходит из точки L2 и перенаправляется второй линзой в R1 . Промежуточные лучи, падающие на первую линзу под углом θ , будут перенаправлены в точки между R 1 и R 2 , полностью освещая приемник.
Нечто подобное происходит и в ситуации, показанной на том же рисунке справа. Луч r3 , падающий на первую линзу под углом α < θ , будет перенаправлен в точку между L3 и L4 . Когда он попадает на вторую линзу, он исходит из точки L1 и перенаправляется второй линзой в R2 . 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 L2 и перенаправляется второй линзой в R1 . Промежуточные лучи, падающие на первую линзу под углом α < θ , будут перенаправлены в точки между R 1 и R 2 , также полностью освещая приемник.
Такая комбинация оптических элементов называется освещением Келера . [22] Хотя приведенный здесь пример касался концентрации солнечной энергии, те же принципы применимы и к освещению в целом. На практике оптика Келера обычно не представляет собой комбинацию неотображающей оптики, а представляет собой упрощенные версии с меньшим количеством активных оптических поверхностей. Это снижает эффективность метода, но позволяет использовать более простую оптику. Кроме того, оптика Келера часто делится на несколько секторов, каждый из которых направляет свет отдельно, а затем объединяет весь свет на цель.
Примером одной из таких оптиок, используемых для концентрации солнечной энергии, является Fresnel-R Köhler. [23]
На рисунке напротив изображены 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 принятия θ .
Параболический концентратор имеет входную апертуру DC и фокус F.
Параболический концентратор принимает только лучи света, перпендикулярные входному отверстию DC . Слежение за концентраторами такого 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, не создающего изображения», максимально возможная концентрация в воздухе или в вакууме (равная соотношению площадей входного и выходного апертуры) 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 (фокусировочных конусов) [25] [26] Мартином Плоке (Германия) [27] и Роландом Уинстоном (США). , [28] и привели к независимому появлению первых невизуализирующих концентраторов, [1] позже применённых к концентрации солнечной энергии. [29] Среди этих трех ранних работ наиболее развитой была американская, в результате которой появилась неотображающая оптика сегодня. [1]
Хорошее введение опубликовал Уинстон, Роланд. «Неизображающая оптика». Научный американец, том. 264, нет. 3, 1991, стр. 76–81. ДЖСТОР, [2]
Над неотображающей оптикой работают различные коммерческие компании и университеты. В настоящее время крупнейшей исследовательской группой по этому предмету является группа передовой оптики CeDInt, входящего в состав Мадридского технического университета (UPM) . [ нужна цитата ]
