Оптика без визуализации

редактировать

Оптика без визуализации (также называемая анидольная оптика ) - это ветвь оптики связано с 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.

Содержание

  • 1 Области применения
    • 1.1 Концентрация солнечной энергии
    • 1.2 Оптика освещения
    • 1.3 Другие приложения
  • 2 Теория
    • 2.1 Принцип краевого луча
    • 2.2 Методы проектирования
      • 2.2.1 Метод проектирования выкидной линии
        • 2.2.1.1 Варианты метода проектирования выкидной линии
      • 2.2.2 Метод одновременного проектирования нескольких поверхностей (SMS)
      • 2.2.3 Метод проектирования Миньяно с использованием скобок Пуассона
    • 2.3 Сохранение etendue
  • 3 Интеграция Келера
  • 4 Составной параболический концентратор
  • 5 История
  • 6 См. Также
  • 7 Ссылки
  • 8 Внешние ссылки

Приложения

Две конструктивные проблемы, которые оптика без визуализации решает лучше, чем оптика с визуализацией:

  • концентрация солнечной энергии : максимальное увеличение количества энергии, подаваемой на приемник, обычно солнечный элемент или тепловой приемник;
  • освещение : управление распределение света, обычно так, чтобы он «равномерно» распределялся по некоторым областям и полностью блокировался от других областей

Типичные переменные, которые необходимо оптимизировать на цели et включают полный 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 данной концентрации не отображающая оптика обеспечивает максимально широкие углы приема и, следовательно, является наиболее подходящей для использования при солнечной концентрации, например, для Например, в концентрированных фотоэлектрических элементах. По сравнению с «традиционной» оптикой формирования изображения (такой как параболические отражатели или линзы Френеля ), основными преимуществами оптики без формирования изображений для концентрации солнечной энергии являются:

  • более широкий прием углы, приводящие к более высоким допускам (и, следовательно, более высокой эффективности) для:
    • менее точного отслеживания
    • неидеально изготовленной оптики
    • неидеально собранных компонентов
    • перемещений системы из-за ветра
    • конечная жесткость несущей конструкции
    • деформация из-за старения
    • захват околосолнечного излучения
    • другие недостатки в системе
  • более высокая концентрация солнечного света
  • , возможность равномерного освещения приемника
  • 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 одну дополнительную 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.

Осветительная оптика

Примеры оптических устройств, не создающих изображения, включают оптические световоды, не отображающие отражатели, не отображающие линзы или их комбинацию этих устройств. Обычные применения не отображающей оптики включают многие области светотехники (освещение ). Примеры современных реализаций оптических конструкций без визуализации включают автомобильные фары, ЖК-подсветку, подсветку приборной панели дисплеи, оптоволоконные осветительные устройства, светодиодные фонари, проекционные системы отображения и светильники.

По сравнению с "традиционными" конструктивными технологиями, не визуализирующая оптика имеет следующие преимущества для освещения:

  • лучшая обработка расширенных источников
  • более компактная оптика
  • возможности смешивания цветов
  • сочетание источников света и распределения света в разных местах
  • хорошо подходит для использования со все более популярными светодиодами источники света
  • устойчивость к изменениям относительного положения источника света и оптики

Примерами не отображающей оптики освещения, использующей солнечную энергию, являются анидольное освещение или солнечные трубы.

Другое приложения

Сбор излучения, испускаемого столкновениями частиц высокой энергии, с использованием наименьшего фотомульта iplier трубки.

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

Теория

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

Специальные приложения не отображающей оптики, такие как линзы Френеля для концентрации солнечного света или Солнечная концентрация в целом также была опубликована, хотя эта последняя ссылка О'Галлагера описывает в основном работы, разработанные несколько десятилетий назад. Другие публикации включают главы из книг.

Оптика формирования изображений может концентрировать солнечный свет в лучшем случае с тем же потоком, 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.

Простейший способ создания оптики без формирования изображения называется «методом струн», основанный на принципе 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). Способ 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 группой ученых-оптиков из Light Prescriptions Innovators.

Принцип краевого луча

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 в на ресивере. Нет никаких условий на формирование изображения, единственная цель - передать свет от источника к цели.

Рисунок справа иллюстрирует этот принцип. Линза собирает свет от источника S1S2и перенаправляет его к приемнику R1R2.

Принцип краевого луча

Линза имеет две оптические поверхности, поэтому ее можно сконструировать (используя метод SMS-проектирования), так что световые лучи, исходящие от края S1источника, перенаправляются к краю R1приемника, как показано синими лучами. За счет симметрии лучи, исходящие от края S2источника, перенаправляются к краю R2приемника, 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.

На самом деле, если мы рассмотрим точку P на верхней поверхности линзы, луч, идущий от S1до P, будет перенаправлен в сторону R1. Также луч, идущий от S2до P, будет перенаправлен на R2. Луч, проходящий через P из 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

Невизуальные оптические устройства получают с использованием различных методов. Наиболее важными из них являются: метод проектирования поточной линии или Уинстона-Велфорда, метод SMS или метод проектирования Миньяно-Бенитеса и метод проектирования Миньяно с использованием скобок Пуассона. Первый (поточная линия), вероятно, наиболее широко используется, 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.

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

Постоянный OPL

OPL постоянен между фронтами. Это можно увидеть по преломлению на рисунке «постоянный OPL» справа. На нем показано разделение c (τ) между двумя средами с показателями преломления n 1 и n 2, где c (τ) описывается параметрическим уравнением с параметр τ. Также показан набор лучей, перпендикулярных волновому фронту w 1 и движущихся 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), поэтому луч r A идентифицируется параметром τ A на c. Аналогично, луч r B идентифицируется параметром τ B на c. Луч r A имеет длину оптического пути S (τ A) = n 1d5+ n 2d6. Кроме того, луч r B имеет длину оптического пути S (τ B) = n 1d7+ n 2d8. Разница в длине оптического пути для лучей r A и r B определяется как:

S (τ B) - S (τ A) = ∫ AB d S = ∫ τ A τ B d S d τ d τ знак равно ∫ τ A τ BS (τ + d τ) - S (τ) (τ + d τ) - τ d τ {\ 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}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, мы вычисляем S (τ + dτ) -S (τ), снова с помощью того же фигура. Имеем S (τ) = n 1d1+n2(d3+d4) и S (τ + dτ) = n 1(d1+d2) + n 2d4. Эти выражения можно переписать как S (τ) = n 1d1+n2dc sinθ 2+n2d4и S (τ + dτ) = n 1d1+n1dc sinθ 1+n2d4. Из закона преломления n1sinθ 1=n2sinθ 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 выходящий волновой фронт w 2.

Аналогичные выводы можно сделать для случая отражения, только в этом случае n 1=n2. Это соотношение между лучами и волновыми фронтами справедливо в целом.

Метод проектирования поточных линий

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

Эти типы оптики могут быть получены, например, путем применения краевого луча не отображающей изображения оптики к конструкции зеркальной оптики, как показано на рисунке «CEC» справа. Он состоит из двух эллиптических зеркал e 1 с фокусами S1и R1и его симметричного e 2 с фокусами S2и R2.

CEC

Mirror e 1 перенаправляет лучи, идущие от края S1источника к краю R1приемника, и, благодаря симметрии, зеркало e 2 перенаправляет лучи, исходящие от края S2источника по направлению к краю R2приемника. Это устройство не формирует изображение источника S1S2на приемнике R1R2, на что указывают зеленые лучи, исходящие из точки S в источнике, которые попадают в приемник, но не фокусируются на точка изображения. Зеркало e 2 начинается на краю R1приемника, поскольку оставление промежутка между зеркалом и приемником позволит свету уйти между ними. Кроме того, зеркало e 2 заканчивается на луче r, соединяющем S1и R2, так как его короткое обрезание не позволит ему улавливать как можно больше света, но расширит его выше r затеняет свет, исходящий от S1и соседних с ним точек источника. Полученное устройство называется CEC (Compound Elliptical Concentrator).

CPC

Частный случай этой схемы происходит, когда источник S1S2становится бесконечно большим и перемещается на бесконечное расстояние. Затем лучи, исходящие из S1, становятся параллельными лучами, и то же самое для лучей, исходящих из S2, а эллиптические зеркала e 1 и e 2 сходятся к параболическим зеркалам p 1 и p 2. Полученное в результате устройство называется CPC (Compound Parabolic Concentrator) и показано 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 (испускаемое бесконечным источником 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 r 1 под углом θ к вертикали (идущий от края бесконечного источника) перенаправляется CPC к краю R1приемника.

Лучи, показывающие угол приема

Другой луч r 2 под углом α <θ to the vertical (coming from an inner point of the infinite source) is redirected towards an inner point of the receiver. However, a ray r3 под углом β>θ к вертикали (исходящий из точки за пределами бесконечного источника) колеблется внутри CPC, пока он не будет отклонен. Следовательно, только свет внутри угла приема ± θ улавливается оптикой; свет снаружи отклоняется.

Эллипсы CEC могут быть получены с помощью строкового метода (контакты и), как показано на рисунке «строковый метод» слева. Строка постоянной длины прикрепляется к краевой точке S1источника и краевой точке R1приемника.

Метод String

При перемещении карандаша вверх и вниз струна остается натянутой, вычерчивая эллиптическое зеркало e 1. Теперь мы можем рассматривать волновой фронт w1как круг с центром в S1. Этот волновой фронт перпендикулярен всем лучам, выходящим из S1, а расстояние от S1до w 1 постоянно для всех его точек. То же самое справедливо для волнового фронта w 2 с центром в R1. Расстояние от w 1 до w 2 тогда является постоянным для всех световых лучей, отраженных в e 1, и эти световые лучи перпендикулярны обоим входящим волновым фронтам w 1 и исходящий волновой фронт w 2.

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

DTIRC

Форма верхней поверхности s задана, например, в виде круга. Затем боковая стенка m 1 вычисляется из условия постоянной длины оптического пути S = ​​d 1 + nd 2 + nd 3 где d 1 - расстояние между входящим волновым фронтом w 1 и точкой P на верхней поверхности s, d 2 - это расстояние между P и Q и d 3 расстояние между Q и исходящим волновым фронтом w 2, который имеет форму круга с центром в точке R1. Боковая стенка m 2 симметрична m 1. Угол приема устройства составляет 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 P.

линии потока CPC

. Свет, пересекающий эту точку, ограничен конусом угловой апертуры 2α. Также показана линия f, касательная в точке P делит этот световой конус пополам и, следовательно, указывает в направлении «светового потока» в точке 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, и сам CPC представляет собой просто комбинацию поточной линии p 1, начинающейся с R2, и p 2, начинающейся с R1.

Вариации выкидной линии Метод проектирования

Существуют некоторые вариации метода проектирования выкидной линии.

Вариантом является многоканальная или ступенчатая оптика поточной линии, в которой свет разделяется на несколько «каналов», а затем повторно объединяется снова в один выход. Также были разработаны апланатические (частный случай SMS) версии этих конструкций. Основное применение этого метода - создание сверхкомпактной оптики.

Другой вариант - ограничение света каустикой. Вместо того, чтобы ограничивать свет двумя отражающими поверхностями, он ограничивается отражающей поверхностью и каустикой краевых лучей. Это дает возможность добавлять в оптику 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 она 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.

Процедура проектирования

связана с алгоритмом, используемым Шульцем при разработке асферических линз для визуализации.

SMS (или Миньяно-Бенитес) 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. Версия 3D позволяет проектировать оптику с поверхностями произвольной формы (также называемыми анаморфными) поверхностями, 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 исходящий волновой фронт 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 S1S2и приемника R1R2.

SMS-цепочка

Лучи, испускаемые с края S1источника, фокусируются на краю R1приемника. и те, которые излучаются с края S2источника, фокусируются на краю R2приемника. Сначала мы выбираем точку T0и нормаль к ней на верхней поверхности линзы. Теперь мы можем взять луч r 1, исходящий из S2, и преломить его в точке T0. Выбирая теперь длину оптического пути S 22 между S2и R2, мы имеем одно условие, которое позволяет нам вычислить точку B1на нижней поверхности линзы. Нормаль в точке B1также может быть вычислена по направлениям входящих и исходящих лучей в этой точке и по показателю преломления линзы. Теперь мы можем повторить процесс, взяв луч r 2, исходящий из R1, и преломляя его в точке B1. Выбирая теперь длину оптического пути S 11 между R1и S1, мы имеем одно условие, которое позволяет нам вычислить точку T1на верхней поверхности линзы. Нормаль в точке T1также может быть рассчитана по направлениям входящих и исходящих лучей в этой точке и по показателю преломления линзы. Теперь, преломляя в точке T1луч r 3, исходящий из S2, мы можем вычислить новую точку B3и соответствующую нормаль на нижней поверхности, используя ту же длину оптического пути S 22 между S2и R2. Отражая в точке B3луч r 4, исходящий из R1, мы можем вычислить новую точку T3и соответствующую нормаль на верхней поверхности, используя ту же длину оптического пути S 11 между R1и S1. Процесс продолжается путем вычисления другой точки B5на нижней поверхности с использованием другого краевого луча r 5 и так далее. Последовательность точек T0B1T1B3T3B5называется цепочкой SMS.

Еще одна цепочка SMS может быть построена вправо, начиная с точки T0. Луч от S1, преломленный в T0, определяет точку и нормаль B2на нижней поверхности с использованием постоянной длины оптического пути S 11 между S1и R1. Теперь луч от R2, преломленный в B2, определяет новую точку и нормаль T2на верхней поверхности, используя постоянную длину оптического пути S 22 между S2и R2. Процесс продолжается по мере добавления новых точек в цепочку SMS. В этом примере, показанном на рисунке, оптика имеет лево-правую симметрию, и поэтому точки B2T2B4T4B6также 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.

Скиннинг SMS

Мы выбираем две точки, скажем B1и B2, с соответствующими нормалями и интерполируем кривую c между ними. Теперь мы выбираем точку B12и ее нормаль на c. Луч r 1, исходящий из R1и преломленный в B12, определяет новую точку T01и ее нормаль между T0и T1на верхней поверхности, применяя ту же постоянную оптическую длина пути S 11 между S1и R1. Теперь луч r 2, исходящий из S2и преломленный в T01, определяет новую точку и нормаль на нижней поверхности, применяя ту же постоянную длину оптического пути S 22 между S2и R2. 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). Общее внутреннее отражение (TIR) ​​отмечено 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 аналогичен SMS 2D, только теперь все расчеты выполняются в трехмерном пространстве. Рисунок «Цепочка SMS 3D» справа иллюстрирует алгоритм расчета SMS 3D.

SMS 3D-цепочка

Первый шаг - выбрать входящие волновые фронты w 1 и w 2 и исходящие волновые фронты w 3 и w 4 и длина оптического пути S 14 между w 1 и w 4 и длина 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 T0, которая теперь находится на выбранной кривой 3D a. Нормаль, выбранная для точки T0, должна быть перпендикулярна кривой a. Теперь процесс развивается аналогично SMS 2D. Луч r 1, исходящий из w 1, преломляется в T0и с длиной оптического пути S 14, новая точка B2и ее нормаль получается на нижней поверхности. Теперь луч r 2, исходящий из w 3, преломляется в точке B2и, с длиной оптического пути S 23, новая точка T2и ее нормаль получается на верхней поверхности. Для луча r 3 получается новая точка B2и ее нормаль, для луча r 4 получается новая точка T4и ее нормаль, 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 T0также может быть получен с использованием того же метода. Теперь, выбрав другую точку T0на 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

Этот метод проектирования был разработан Миньяно и основан на гамильтоновой оптике, гамильтоновой формулировке геометрической оптики, которая разделяет большую часть математических формулировка с помощью гамильтоновой механики. 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 внешнего вида

Сохранение внешнего вида - центральная концепция в оптике без визуализации. В концентрационной оптике он связывает угол приема с максимальной возможной концентрацией. Сохранение внешнего вида можно рассматривать как постоянный объем, движущийся в фазовом пространстве.

интегрирование Келера

В некоторых приложениях важно достичь заданной освещенности (или освещенность ) на цели с учетом движений или неоднородностей источника. Рисунок «Интегратор Келера» справа иллюстрирует это для частного случая солнечной концентрации. Здесь источником света является движущееся по небу солнце. Слева на этом рисунке показана линза L1L2, улавливающая солнечный свет, падающий под углом α к оптической оси , и концентрирующий его на приемнике L3L4. 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 от L3до L4, которая захватывает свет от L1L2и перенаправляет его на приемник R1R2, как показано в середине рисунка.

Интегратор Келера

Ситуация в середине рисунка показывает, что объектив L1L2, не создающий изображения, сконструирован таким образом, что солнечный свет (здесь рассматривается как набор параллельных лучей) падает под углом θ к оптическая ось будет сосредоточена в точке L3. С другой стороны, объектив L3L4, не создающий изображения, сконструирован таким образом, что световые лучи, исходящие от L1, фокусируются на R2, а световые лучи, исходящие от L2, фокусируются на R1. Следовательно, луч r 1, падающий на первую линзу под углом θ, будет перенаправлен в сторону L3. Когда он попадает во вторую линзу, он идет из точки L1и перенаправляется второй линзой на R2. С другой стороны, луч r 2, также падающий на первую линзу под углом θ, также будет перенаправлен в сторону L3. Однако, когда он попадает во вторую линзу, он идет из точки L2и перенаправляется второй линзой на R1. Промежуточные лучи, падающие на первую линзу под углом θ, будут перенаправлены в точки между R1и R2, полностью освещая приемник.

Нечто подобное происходит в ситуации, показанной на том же рисунке справа. Луч r 3 падает на первую линзу под углом α <θ will be redirected towards a point between L3и L4. Когда он попадает во вторую линзу, он идет из точки L1и перенаправляется второй линзой на R2. Также луч r 4 падает на первую линзу под углом α <θ will be redirected towards a point between L3и L4. Когда он попадает во вторую линзу, он идет из точки L2и перенаправляется второй линзой на R1. Промежуточные лучи падают на первую линзу под углом α <θ will be redirected to points between R1и R2, также полностью освещая приемник.

Эта комбинация оптических элементов называется подсветкой Келлера. Хотя приведенный здесь пример был для 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 этих оптических систем, используемых для концентрации солнечных лучей, является Френель-Р Кёлер.

Составной параболический концентратор

На рисунке напротив изображены два параболических зеркала CC '(красный) и DD' (синий). Обе параболы вырезаны 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.

Сравнение составного параболического концентратора без визуализации и параболического концентратора

Параболический концентратор имеет входную апертуру DC и точку фокусировки F.

Параболический концентратор принимает только перпендикулярные лучи света к входному проему ДК . 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, возможная в воздухе или в вакууме (равная отношению площадей входной и выходной апертур), составляет:

C = 1 грех 2 ⁡ θ, {\ displaystyle C = {\ frac {1} {\ sin ^ {2} \ theta}},}{\ displaystyle C = {\ frac {1} {\ sin ^ {2} \ theta}},}

где θ {\ displaystyle \ theta}\ theta - половина угла приемного угла (большей апертуры).

История

Разработка началась в середине 1960-х годов в трех разных точках В.К. Барановым (СССР ) с изучением фокусов (фокусирующих конусов) Мартина Плоке (Германия) и Роланда Уинстона (США), что привело к независимому происхождению первых концентраторов без визуализации, которые впоследствии стали применяться к концентрации солнечной энергии. Среди этих трех самых ранних работ наиболее развитой была американская, в результате чего появилась современная не отображающая оптика.

Хорошее введение было опубликовано Уинстоном, Роландом. «Nommaging Optics». Scientific American, т. 264, нет. 3. 1991. С. 76–81. JSTOR, [2]

Существуют различные коммерческие компании и университеты, работающие над оптикой без формирования изображений. В настоящее время крупнейшей исследовательской группой в этой области является группа Advanced Optics в CeDInt, входящая в состав Мадридского технического университета (UPM).

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-31 12:11:27
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте