Icke-avbildande optik

Icke-avbildande optik (även kallad anidolic optik ) är den gren av optik som sysslar med optimal överföring av ljusstrålning mellan en källa och ett mål. Till skillnad från traditionell bildoptik försöker de involverade teknikerna inte att bilda en bild av källan; istället önskas ett optimerat optiskt system för optimal strålningsöverföring från en källa till ett mål.

Ansökningar

De två designproblem som icke-avbildande optik löser bättre än bildoptik är:

• solenergikoncentration : maximera mängden energi som appliceras på en mottagare, vanligtvis en solcell eller en termisk mottagare
• belysning : styr fördelningen av ljus, vanligtvis så att det är "jämnt" fördelat över vissa områden och helt blockerat från andra områden

Typiska variabler som ska optimeras vid målet inkluderar det totala strålningsflödet , vinkelfördelningen av optisk strålning och den rumsliga fördelningen av optisk strålning. Dessa variabler på målsidan av det optiska systemet måste ofta optimeras samtidigt som man beaktar insamlingseffektiviteten för det optiska systemet vid källan.

Solenergikoncentration

För en given koncentration ger icke-avbildande optik de bredaste möjliga acceptansvinklarna och är därför de mest lämpliga för användning i solenergikoncentration som till exempel i koncentrerad solcellsanläggning . Jämfört med "traditionell" bildoptik (som paraboliska reflektorer eller fresnellinser ) är de främsta fördelarna med icke-avbildande optik för att koncentrera solenergi:

• bredare acceptansvinklar vilket resulterar i högre toleranser (och därför högre effektivitet) för:
  • mindre exakt spårning
  • ofullständigt tillverkad optik
  • ofullständigt monterade komponenter
  • systemets rörelser på grund av vind
  • ändlig styvhet hos den bärande strukturen
  • deformation på grund av åldrande
  • infångning av cirkumsolär strålning
  • andra brister i systemet
• högre solkoncentrationer
  • mindre solceller (i koncentrerad solceller )
  • högre temperaturer (i koncentrerad solvärme )
  • lägre värmeförluster (i koncentrerad solvärme )
  • bredda tillämpningarna av koncentrerad solenergi, till exempel till sollasrar
• möjlighet till en enhetlig belysning av mottagaren
  • förbättra tillförlitligheten och effektiviteten hos solcellerna (i koncentrerad solcellsanläggning )
  • förbättra värmeöverföringen (i koncentrerad solvärme )
• designflexibilitet: olika typer av optik med olika geometrier kan skräddarsys för olika applikationer

Dessutom, för låga koncentrationer, kan de mycket breda acceptansvinklarna för icke-avbildande optik undvika solspårning helt och hållet eller begränsa den till ett fåtal positioner per år.

Den största nackdelen med icke-avbildande optik jämfört med paraboliska reflektorer eller Fresnel-linser är att de för höga koncentrationer vanligtvis har en optisk yta till, vilket minskar effektiviteten något. Det märks dock bara när optiken riktar sig perfekt mot solen, vilket vanligtvis inte är fallet på grund av brister i praktiska system.

Belysningsoptik

Exempel på icke-avbildande optiska enheter inkluderar optiska ljusledare , icke-avbildande reflektorer , icke-avbildande linser eller en kombination av dessa enheter. Vanliga tillämpningar av icke-avbildande optik inkluderar många områden av belysningsteknik ( belysning ). Exempel på moderna implementeringar av icke-avbildande optisk design inkluderar strålkastare för bilar , LCD-bakgrundsbelysningar , upplysta instrumentpanelsdisplayer , fiberoptiska belysningsenheter, LED-lampor , projektionsdisplaysystem och armaturer .

Jämfört med "traditionella" designtekniker har icke-avbildande optik följande fördelar för belysning:

• bättre hantering av utökade källor
• mer kompakt optik
• färgblandningsmöjligheter
• kombination av ljuskällor och ljusfördelning till olika platser
• väl lämpad att användas med allt populärare LED- ljuskällor
• tolerans för variationer i den relativa positionen för ljuskällan och optiken

Exempel på icke-avbildande belysningsoptik som använder solenergi är anidolbelysning eller solrör .

Andra applikationer

Moderna bärbara och bärbara optiska enheter och system av små storlekar och låga vikter kan kräva nanoteknik. Detta problem kan lösas av icke-avbildande metaoptik, som använder metallenses och metamirrors för att hantera den optimala överföringen av ljusenergi.

Samla in strålning som sänds ut av högenergipartikelkollisioner med hjälp av minsta fotomultiplikatorrör .

Insamling av luminescerande strålning i fotonuppkonverteringsenheter med den sammansatta paraboliska koncentratorn som hittills är den mest lovande geometriska optiksamlaren.

Några av designmetoderna för icke-avbildande optik finner också tillämpning i bildåtergivningsenheter, till exempel några med ultrahög numerisk bländare.

Teori

Tidig akademisk forskning i icke-avbildande optisk matematik som söker slutna formlösningar publicerades först i läroboksform i en bok från 1978. En modern lärobok som illustrerar djupet och bredden av forskning och ingenjörskonst inom detta område publicerades 2004. En grundlig introduktion till detta område publicerades 2008.

Särskilda tillämpningar av icke-avbildande optik som Fresnel-linser för solkoncentration eller solkoncentration i allmänhet har också publicerats, även om denna sista referens av O'Gallagher främst beskriver det arbete som utvecklades för några decennier sedan. Andra publikationer inkluderar bokkapitel.

Bildoptik kan koncentrera solljus till högst samma flöde som finns på solens yta. Icke-avbildande optik har visat sig koncentrera solljus till 84 000 gånger den omgivande intensiteten av solljus, vilket överstiger flödet som finns vid solens yta och närmar sig den teoretiska ( termodynamikens andra lag ) gräns för att värma föremål till temperaturen på solens yta.

Det enklaste sättet att designa icke-avbildande optik kallas "the method of strings", baserat på edge ray-principen . Andra mer avancerade metoder utvecklades med början i början av 1990-talet som bättre kan hantera utökade ljuskällor än kantstrålemetoden. Dessa utvecklades främst för att lösa designproblemen relaterade till halvledarstrålkastare för bilar och komplexa belysningssystem. En av dessa avancerade designmetoder är simultane multiple surface design method (SMS). 2D SMS-designmetoden ( US Patent 6,639,733 ) beskrivs i detalj i de tidigare nämnda läroböckerna. 3D SMS-designmetoden ( US Patent 7 460 985 ) utvecklades 2003 av ett team av optiska forskare vid Light Prescriptions Innovators.

Kantstråleprincip

Enkelt uttryckt säger kantstråleprincipen att om ljusstrålarna som kommer från källans kanter omdirigeras mot mottagarens kanter, kommer detta att säkerställa att alla ljusstrålar som kommer från de inre punkterna i källan kommer att hamna på mottagare. Det finns inga villkor för bildbildning, det enda målet är att överföra ljuset från källan till målet.

Figur Kantstråleprincipen till höger illustrerar denna princip. En lins samlar in ljus från en källa _S1S2 och omdirigerar _{det mot} en _mottagare R1R2 .

Kantstråleprincip

Linsen har två optiska ytor och därför är det möjligt att designa den (med SMS- designmetoden ) så att ljusstrålarna som kommer från kanten S ₁ på källan omdirigeras mot kanten R ₁ på mottagaren, vilket indikeras av de blå strålarna. Genom symmetri omdirigeras strålarna som kommer från kanten _S2 på källan mot kanten R2 på mottagaren, vilket indikeras av de röda strålarna _. Strålarna som kommer från en inre punkt S i källan omdirigeras mot målet, men de koncentreras inte till en punkt och därför bildas ingen bild.

I själva verket, om vi betraktar en punkt P på linsens övre yta, kommer en stråle som kommer från S ₁ till P att omdirigeras mot R ₁ . Även en stråle som kommer från S ₂ till P kommer att omdirigeras mot R ₂ . En stråle som kommer genom P från en inre punkt S i källan kommer att omdirigeras mot en inre punkt hos mottagaren. Denna lins garanterar då att allt ljus från källan som passerar den kommer att omdirigeras mot mottagaren. Däremot bildas ingen bild av källan på målet. Att påtvinga mottagaren bildbildningsvillkoret skulle innebära användning av fler optiska ytor, vilket gör optiken mer komplicerad, men skulle inte förbättra ljusöverföringen mellan källa och mål (eftersom allt ljus redan är överfört). Av den anledningen är icke-avbildande optik enklare och effektivare än bildoptik för att överföra strålning från en källa till ett mål.

Designmetoder

Icke-avbildande optiska enheter erhålls med olika metoder. De viktigaste är: designmetoden för flödeslinje eller Winston- Welford , designmetoden SMS eller Miñano-Benitez och designmetoden Miñano med Poisson-fästen . Den första (flödeslinjen) är förmodligen den mest använda, även om den andra (SMS) har visat sig vara mycket mångsidig, vilket resulterar i en mängd olika optik. Den tredje har stannat kvar inom den teoretiska optikens område och har hittills inte hittat verkliga tillämpningar. Ofta används också optimering .

Typiskt har optik brytande och reflekterande ytor och ljus färdas genom media med olika brytningsindex när det korsar optiken. I dessa fall kan en kvantitet som kallas optisk väglängd (OPL) definieras som ${\textstyle S=\sum _{i}n_{i}d_{i}}$ där index i indikerar annan stråle sektioner mellan successiva avböjningar (brytningar eller reflektioner), n _i är brytningsindex och di _avståndet i varje sektion i av strålbanan.

Konstant optisk väglängd

OPL är konstant mellan vågfronterna . Detta kan ses för brytning i figuren "konstant OPL" till höger. Den visar en separation c ( τ ) mellan två medier med brytningsindex n ₁ och n ₂ , där c ( τ ) beskrivs av en parametrisk ekvation med parameter τ . Också visade är en uppsättning strålar vinkelräta mot vågfronten w ₁ och färdas i mediet med brytningsindex n ₁ . Dessa strålar bryts vid c ( τ ) in i mediet med brytningsindex n ₂ i riktningar vinkelräta mot vågfronten w ₂ . Strålen r _A korsar c i punkten c ( τ _A ) och därför identifieras strålen r _{A av parametern} τ _A på c . På samma sätt identifieras strålen rB av parametern τ _B på c _. Strålen rA S τA = n1d5 + n2d6 . _{_ _ _ _} _ har _optisk väglängd ₍ ) S τB _{har Strålen} = n1d7 + n2d8 _{. _} _ _ en _optisk rB också väglängd ₍ ) Skillnaden i optisk väglängd för strålarna r _A och r _B ges av:

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

För att beräkna värdet på denna integral utvärderar vi S ( τ + dτ ) − S ( τ ) , återigen med hjälp av samma figur. Vi har S ( τ ) = n ₁ d ₁ + n ₂ ( d ₃ + d ₄ ) och S ( τ + dτ ) = n ₁ ( d ₁ + d ₂ ) + n ₂ d ₄ . Dessa uttryck kan skrivas om som S ( τ ) = n ₁ d ₁ + n ₂ dc sin θ ₂ + n ₂ d ₄ och S ( τ + dτ ) = n ₁ d ₁ + n ₁ dc sin θ ₁ + n ₂ d ₄ . Från brytningslagen n ₁ sin θ ₁ = n ₂ sin θ ₂ och därför S ( τ + dτ ) = S ( τ ) , vilket leder till S ( τ _A ) = S ( τ _B ) . Eftersom dessa kan vara godtyckliga strålar som korsar c , kan man dra slutsatsen att den optiska väglängden mellan w ₁ och w ₂ är densamma för alla strålar vinkelräta mot inkommande vågfront w ₁ och utgående vågfront w ₂ .

Liknande slutsatser kan dras för fallet med reflektion, endast i detta fall n ₁ = n ₂ . Detta förhållande mellan strålar och vågfronter är giltigt i allmänhet.

Flödeslinjedesignmetod

Designmetoden för flödeslinje (eller Winston-Welford) leder vanligtvis till optik som styr ljuset som begränsar det mellan två reflekterande ytor. Den mest kända av dessa enheter är CPC ( Comound Parabolic Concentrator) .

Dessa typer av optik kan erhållas, till exempel, genom att applicera kantstrålen hos icke-avbildande optik på designen av spegeloptik, som visas i figur "CEC" till höger. Den är sammansatt av två elliptiska speglar e ₁ med foci S ₁ och R ₁ och dess symmetriska e ₂ med foci S ₂ och R ₂ .

CEC

Spegel e ₁ omdirigerar strålarna som kommer från kanten S ₁ av källan mot kanten R ₁ på mottagaren och, genom symmetri, omdirigerar spegel e ₂ strålarna som kommer från kanten S ₂ av källan mot kanten R ₂ av källan mottagare. Den här enheten bildar inte en bild av källan S ₁ S ₂ på mottagaren R ₁ R ₂ som indikeras av de gröna strålarna som kommer från en punkt S i källan som hamnar på mottagaren men som inte är fokuserade på en bildpunkt. Spegel e2 börjar vid kanten R1 på mottagaren eftersom ett mellanrum mellan spegel och mottagare skulle tillåta ljus att strömma ut mellan de _{två .} Spegeln e2 slutar också vid strålen r som förbinder S1 och R2 eftersom _en kortslutning av den skulle hindra den från att fånga så mycket ljus som möjligt, men om den förlängs ovanför r _{skulle det} skugga ljus som kommer från S1 och dess närliggande _punkter till källan. Den resulterande enheten kallas en CEC (Compound Elliptical Concentrator).

CPC

av denna design inträffar när källan S1S2 _{blir oändligt} stor och förflyttas till ett oändligt avstånd. Då blir strålarna som kommer från S ₁ parallella strålar och samma sak för de som kommer från S ₂ och de elliptiska speglarna e ₁ och e ₂ konvergerar till parabolspeglarna p ₁ och p ₂ . Den resulterande enheten kallas en CPC ( Comound Parabolic Concentrator ) och visas i "CPC"-bilden till vänster. CPC är den vanligaste icke-avbildande optiken. De används ofta för att visa skillnaden mellan bildoptik och icke-avbildande optik.

₁ När den ses från CPC:n bildar den inkommande strålningen (som utsänds från den oändliga källan på ett oändligt avstånd) en vinkel ± θ (total vinkel 2 θ ). Detta kallas acceptansvinkeln för CPC. Anledningen till detta namn kan uppskattas i figuren "strålar som visar acceptansvinkeln" till höger. En inkommande stråle ri i en vinkel θ to the vertical (coming from the edge of the infinite source) is redirected by the CPC towards the edge R₁ of the receiver.

Strålar som visar acceptansvinkeln

_annan stråle r2 i en vinkel α < θ mot vertikalen (som kommer från en inre punkt av den oändliga källan) omdirigeras mot en inre punkt hos mottagaren. Emellertid studsar en stråle r3 i en vinkel β > θ mot vertikalen (som kommer från en punkt utanför den oändliga källan) runt inuti CPC tills den förkastas av den _. Därför fångas endast ljuset inuti acceptansvinkeln ± θ av optiken; ljus utanför det avvisas.

Ellipserna för en CEC kan erhållas med (stift och) strängmetoden, som visas i figuren "strängmetoden" till vänster. En sträng med _{konstant längd} är fäst vid kantpunkten Si på källan och kantpunkten R1 på mottagaren.

Strängmetod

Snöret hålls sträckt medan du flyttar en penna upp och ner, ritar den elliptiska spegeln e ₁ . Vi kan nu betrakta en vågfront w ₁ som en cirkel centrerad vid S ₁ . Denna vågfront är vinkelrät mot alla strålar som kommer ut ur S ₁ och avståndet från S ₁ till w ₁ är konstant för alla dess punkter. Detsamma gäller för vågfront w ₂ centrerad vid R ₁ . Avståndet från w ₁ till w ₂ är då konstant för alla ljusstrålar som reflekteras vid e ₁ och dessa ljusstrålar är vinkelräta mot både inkommande vågfront w ₁ och utgående vågfront w ₂ .

Optisk väglängd (OPL) är konstant mellan vågfronter. När det tillämpas på icke-avbildande optik, utökar detta resultat strängmetoden till optik med både brytande och reflekterande ytor. Bild "DTIRC" (Dielectric Total Internal Reflection Concentrator) till vänster visar ett sådant exempel.

DTIRC

Formen på den övre ytan s föreskrivs till exempel som en cirkel. Därefter beräknas sidoväggen m ₁ av villkoret för konstant optisk väglängd S = d ₁ + n d ₂ + n d ₃ där d ₁ är avståndet mellan inkommande vågfront w ₁ och punkt P på den övre ytan s , d ₂ är avstånd mellan P och Q och d ₃ avståndet mellan Q och utgående vågfront w ₂ , som är cirkulär och centrerad vid R ₁ . Sidoväggen m ₂ är symmetrisk med m ₁ . Anordningens acceptansvinkel är 2 θ .

Denna optik kallas flödeslinjeoptik och anledningen till det illustreras i figuren "CPC-flödeslinjer" till höger. Den visar en CPC med en acceptansvinkel 2 θ , som markerar en av dess inre punkter P .

CPC-flödeslinjer

Ljuset som korsar denna punkt är begränsat till en kon med vinkelöppning 2 α . En linje f visas också vars tangent i punkt P halverar denna ljuskon och därför pekar i riktningen för "ljusflödet" vid P . Flera andra sådana linjer visas också i figuren. De delar alla kantstrålarna i varje punkt inuti CPC och av den anledningen pekar deras tangent i varje punkt i ljusflödets riktning. Dessa kallas flödeslinjer och själva CPC är bara en kombination av flödeslinje p1 _som börjar vid R2 och p2 _som börjar _vid R1 _.

Variationer av flödeslinjedesignmetoden

Det finns vissa variationer av flödeslinjedesignmetoden.

En variant är den flerkanaliga eller stegvisa flödeslinjeoptiken där ljus delas upp i flera "kanaler" och sedan rekombineras igen till en enda utgång. Aplanatiska (ett särskilt fall av SMS ) versioner av dessa konstruktioner har också utvecklats. Den huvudsakliga tillämpningen av denna metod är i utformningen av ultrakompakt optik.

En annan variant är instängningen av ljus av kaustik . Istället för att ljuset begränsas av två reflekterande ytor, begränsas det av en reflekterande yta och en kaustik av kantstrålarna. Detta ger möjligheten att lägga till förlustfria icke-optiska ytor till optiken.

Simultaneous multiple surface (SMS) designmetod

Detta avsnitt beskriver

en icke-avbildande optisk designmetod som är känd inom området som den samtidiga multipelytan (SMS) eller Miñano-Benitez designmetoden. Förkortningen SMS kommer från det faktum att den möjliggör samtidig utformning av flera optiska ytor. Den ursprungliga idén kom från Miñano. Själva designmetoden utvecklades till en början i 2-D av Miñano och senare även av Benítez. Den första generaliseringen till 3D-geometri kom från Benítez. Det utvecklades sedan mycket vidare av bidrag från Miñano och Benítez. Andra personer har till en början arbetat med Miñano och senare med Miñano och Benítez med att programmera metoden.

Designproceduren

är relaterad till den algoritm som Schulz använder vid utformningen av asfäriska bildlinser.

SMS (eller Miñano-Benitez) designmetoden är mycket mångsidig och många olika typer av optik har designats med den. 2D-versionen tillåter design av två (även om fler är också möjliga) asfäriska ytor samtidigt. 3D-versionen tillåter design av optik med friformsytor (även kallade anamorfa) ytor som kanske inte har någon form av symmetri.

SMS-optik beräknas också genom att tillämpa en konstant optisk väglängd mellan vågfronter. Figur "SMS-kedja" till höger visar hur denna optik beräknas. I allmänhet kommer strålarna vinkelräta mot den inkommande vågfronten w1 att kopplas till den utgående vågfronten _w4 och strålarna vinkelräta mot den inkommande vågfronten _w2 kommer att kopplas till den utgående vågfronten w3 och dessa vågfronter kan ha vilken form som _{helst .} Men för enkelhetens skull visar denna figur ett speciellt fall eller cirkulära vågfronter. _{Detta exempel visar en} lins med ett givet brytningsindex n _utformad för en källa S1S2 och _en mottagare R1R2 _.

SMS-kedja

₀₀₀ Strålarna som sänds ut från kanten Si hos källan fokuseras på kanten R1 hos mottagaren och de som sänds ut från kanten _{S2 hos} källan fokuseras på kanten R2 _hos mottagaren _. Vi väljer först en punkt T och dess normal på linsens övre yta. Vi kan nu ta en stråle r ₁ som kommer från S ₂ och bryta den vid T . Genom att nu välja den optiska väglängden S ₂₂ mellan S ₂ och R ₂ har vi ett villkor som tillåter oss att beräkna punkt B ₁ på linsens bottenyta. Normalen vid B ₁ kan också beräknas från riktningarna för de inkommande och utgående strålarna vid denna punkt och linsens brytningsindex. Nu kan vi upprepa processen och ta en stråle r ₂ som kommer från R ₁ och bryta den vid B ₁ . Genom att nu välja den optiska väglängden S ₁₁ mellan R ₁ och S ₁ har vi ett villkor som tillåter oss att beräkna punkten T ₁ på linsens övre yta. Normalen vid T ₁ kan också beräknas från riktningarna för de inkommande och utgående strålarna vid denna punkt och linsens brytningsindex. Om vi ​​nu bryter vid Ti _en stråle r ₃ som kommer från S ₂ kan vi beräkna en ny punkt B ₃ och motsvarande normal på bottenytan med användning av samma optiska väglängd S ₂₂ mellan S ₂ och R ₂ . Genom att bryta vid B ₃ en stråle r ₄ som kommer från R ₁ kan vi beräkna en ny punkt T ₃ och motsvarande normal på den övre ytan genom att använda samma optiska väglängd S ₁₁ mellan R ₁ och S ₁ . Processen fortsätter genom att beräkna ytterligare en punkt B ₅ på bottenytan med en annan kantstråle r ₅ , och så vidare. Sekvensen av punkter TB ₁ T 1 B ₃ T ₃ B ₅ kallas en SMS-kedja _.

₀₀ En annan SMS-kedja kan konstrueras åt höger med början vid punkt T . En stråle från S1 som bryts vid T _definierar en punkt och normal _B2 på bottenytan, genom att använda konstant _optisk väglängd S11 mellan S1 _och R1 _. Nu definierar en stråle från R2 som _bryts vid B2 en ny punkt och normal _{T2 på} den övre ytan _{, genom att} använda konstant optisk väglängd _S22 mellan S2 och R2 _. Processen fortsätter när fler poäng läggs till i SMS-kedjan. I detta exempel som visas i figuren har optiken en vänster-höger symmetri och därför kan punkter B ₂ T ₂ B ₄ T ₄ B ₆ också erhållas genom symmetri kring linsens vertikala axel.

Nu har vi en sekvens av åtskilda punkter på planet. Figuren "SMS skinning" till vänster illustrerar processen som används för att fylla luckorna mellan punkter, och helt definiera båda optiska ytorna.

SMS skinning

₀ Vi väljer två punkter, säg B ₁ och B ₂ , med deras motsvarande normaler och interpolerar en kurva c mellan dem. Nu väljer vi en punkt B ₁₂ och dess normala på c . En stråle _r1 som _kommer från R1 och bryts vid B12 _definierar en ny punkt _T01 och dess normal mellan T och Ti på _{den övre ytan, genom att} applicera samma konstanta optiska väglängd S11 mellan S1 _och R1 _{. Nu definierar} en stråle r2 _som kommer från S2 och bryts vid T01 en ny punkt och normal _på bottenytan, genom att applicera samma _konstanta optiska _väglängd S22 mellan S2 och R2 _. Processen fortsätter med strålarna r ₃ och r ₄ som bygger en ny SMS-kedja som fyller luckorna mellan punkterna. Att välja andra punkter och motsvarande normaler på kurva c ger oss fler poäng mellan de andra SMS-punkterna som ursprungligen beräknades.

I allmänhet behöver de två optiska SMS-ytorna inte vara brytande. Brytande ytor noteras R (från Refraction) medan reflekterande ytor noteras X (från det spanska ordet refleXión). Total Internal Reflection (TIR) ​​noteras I. Därför är en lins med två refraktiva ytor en RR-optik, medan en annan konfiguration med en reflekterande och en refraktiv yta är en XR-optik. Konfigurationer med fler optiska ytor är också möjliga och om till exempel ljus först bryts (R), sedan reflekteras (X) och sedan reflekteras igen av TIR (I), kallas optiken en RXI.

SMS 3D liknar SMS 2D , bara nu görs alla beräkningar i 3D-utrymme. Figur "SMS 3D-kedja" till höger illustrerar algoritmen för en SMS 3D-beräkning.

SMS 3D-kedja

_{00000 första steget är} att välja de inkommande vågfronterna w1 _och w2 _och utgående _{vågfronter w3} och w4 och den _optiska väglängden S14 mellan w1 och w4 och _den optiska väglängden S23 mellan w2 och _{w3 .} I detta exempel är optiken en lins (en RR-optik) med två brytningsytor, så dess brytningsindex måste också anges. En skillnad mellan SMS 2D och SMS 3D är hur man väljer initialpunkt T , som nu ligger på en vald 3D-kurva a . Normalen som väljs för punkt T måste vara vinkelrät mot kurvan a . Processen utvecklas nu på samma sätt som SMS 2D. En stråle ri _som kommer från w1 bryts vid T och, med den optiska väglängden S14 _, erhålls en ny punkt B2 och dess normal på _{bottenytan .} Nu bryts strålen r2 som kommer från w3 vid B2 och _, med den optiska väglängden S23 _, erhålls en ny punkt T2 och dess normal på _{den övre ytan .} Med ray r ₃ erhålls en ny punkt B _{2 och dess normal, med ray} r ₄ erhålls en ny punkt T _{4 och dess normal, och så vidare.} Denna process utförs i 3D-rymden och resultatet är en 3D SMS-kedja. Som med SMS 2D kan en uppsättning punkter och normaler till vänster om T också erhållas med samma metod. Genom att välja en annan punkt T på kurva a kan processen upprepas och fler punkter erhållas på linsens övre och undre yta.

Kraften med SMS-metoden ligger i det faktum att de inkommande och utgående vågfronterna i sig själva kan vara fria, vilket ger metoden stor flexibilitet. Genom att designa optik med reflekterande ytor eller kombinationer av reflekterande och brytande ytor är olika konfigurationer möjliga.

Miñano designmetod med Poisson-fästen

Denna designmetod utvecklades av Miñano och är baserad på Hamiltonsk optik , den Hamiltonska formuleringen av geometrisk optik som delar mycket av den matematiska formuleringen med Hamiltonsk mekanik . Det tillåter design av optik med variabelt brytningsindex och löser därför vissa icke-avbildningsproblem som inte är lösbara med andra metoder. Tillverkning av optik med variabelt brytningsindex är dock fortfarande inte möjlig och denna metod, även om den är potentiellt kraftfull, har ännu inte hittat en praktisk tillämpning.

Bevarande av etendue

Huvudartikel: Etendue

Bevarande av etendue är ett centralt begrepp inom icke-avbildande optik. Inom koncentrationsoptik relaterar den acceptansvinkeln till den maximala koncentrationen som är möjlig. Bevarande av etendue kan ses som konstant en volym som rör sig i fasrymden .

Köhler integration

Se även: Köhler belysning

I vissa tillämpningar är det viktigt att uppnå ett givet bestrålningsmönster (eller belysningsstyrka ) på ett mål, samtidigt som det tillåter rörelser eller inhomogeniteter hos källan. Bild "Köhler-integrator" till höger illustrerar detta för det speciella fallet med solkoncentration. Här är ljuskällan solen som rör sig på himlen. Till vänster visar denna figur en lins L ₁ L ₂ som fångar solljus som faller in i en vinkel α mot den optiska axeln och koncentrerar det på en mottagare L ₃ L ₄ . Som sett är detta ljus koncentrerat till en hotspot på mottagaren. Detta kan vara ett problem i vissa applikationer. Ett sätt att kringgå detta är att lägga till en ny lins som sträcker sig från L ₃ till L ₄ som fångar ljuset från L ₁ L ₂ och omdirigerar det till en mottagare R ₁ R ₂ , som visas i mitten av figuren.

Köhler integratör

Situationen i mitten av figuren visar en icke-avbildande lins L ₁ L ₂ är utformad på ett sådant sätt att solljus (här betraktat som en uppsättning parallella strålar) som faller in i en vinkel θ mot den optiska axeln kommer att koncentreras till punkt L ₃ . Å andra sidan är den icke-avbildande linsen _{L3L4 utformad} på ett sådant sätt att ljusstrålar som kommer från _{L1 fokuseras} på R2 och ljusstrålar som kommer _{från L2} fokuseras på R1 . Därför kommer strålen r1 som infaller på den första linsen med en vinkel _θ att omdirigeras mot L3 _{. När den träffar den} andra linsen kommer den från punkten L1 och den omdirigeras av den andra linsen _till R2 . Å andra sidan kommer strålen r2 som också infaller på den första linsen med en vinkel _θ också att omdirigeras _mot L3 . Men när _den träffar den andra linsen kommer den från punkten L2 och den omdirigeras av den andra linsen till R1 _. Mellanstrålar som infaller på den första linsen med en vinkel _θ kommer att omdirigeras till punkter mellan R1 och R2 , vilket helt belyser mottagaren _.

Något liknande händer i situationen som visas i samma figur, till höger. Strålen r3 _{som infaller på} den första linsen med en vinkel α < θ kommer att omdirigeras mot en punkt _mellan L3 och L4 . När den träffar _den andra linsen kommer den från punkten L1 och den omdirigeras av den andra linsen _till R2 . Strålen r4 _{som infaller på den första} linsen _vid en vinkel a < θ kommer också att omdirigeras mot en punkt mellan L3 _och L4 . När den träffar _den andra linsen kommer den från punkten L2 och den omdirigeras av den andra linsen till R1 _. Mellanstrålar som infaller på den första linsen med en vinkel _a < θ kommer att omdirigeras till punkter mellan R1 och R2 , vilket också helt belyser mottagaren _.

Denna kombination av optiska element kallas Köhler-belysning . Även om exemplet som ges här var för solenergikoncentration, gäller samma principer för belysning i allmänhet. I praktiken är Köhler-optik vanligtvis inte utformad som en kombination av icke-avbildande optik, utan de är förenklade versioner med ett lägre antal aktiva optiska ytor. Detta minskar metodens effektivitet, men möjliggör enklare optik. Dessutom är Köhler-optik ofta uppdelad i flera sektorer, var och en av dem kanaliserar ljus separat och kombinerar sedan allt ljus på målet.

Ett exempel på en av dessa optik som används för solkoncentration är Fresnel-R Köhler.

Sammansatt parabolisk koncentrator

På ritningen mittemot finns två paraboliska speglar CC' (röd) och DD' (blå). Båda parabolerna skärs vid B respektive A. A är brännpunkten för parabeln CC' och B är brännpunkten för parabeln DD' Arean DC är ingångsöppningen och den platta absorbatorn är AB . Denna CPC har en acceptansvinkel på θ .

Jämförelse mellan icke-avbildande sammansatt parabolkoncentrator och parabolkoncentrator

Den paraboliska koncentratorn har en ingångsöppning på DC och en brännpunkt F .

Den paraboliska koncentratorn accepterar endast ljusstrålar som är vinkelräta mot ingångsöppningen DC . Spårningen av denna typ av koncentrator måste vara mer exakt och kräver dyr utrustning.

Den sammansatta paraboliska koncentratorn accepterar en större mängd ljus och behöver mindre exakt spårning.

För en 3-dimensionell "icke-avbildande sammansatt parabolisk koncentrator" är den maximala koncentrationen som är möjlig i luft eller i vakuum (lika med förhållandet mellan ingångs- och utgångsöppningsareor):

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

där $\theta$ är halvvinkeln för acceptansvinkeln (för den större bländaren).

Historia

Utvecklingen startade i mitten av 1960-talet på tre olika platser av VK Baranov ( USSR ) med studiet av focons (fokuseringskoner) Martin Ploke (Tyskland) och Roland Winston (USA), och ledde till det oberoende ursprunget till först icke-avbildande koncentratorer, senare applicerade på solenergikoncentration. Bland dessa tre tidigaste verk var det mest utvecklade det amerikanska, vilket resulterade i vad icke-avbildande optik är idag.

En bra introduktion publicerades av - Winston, Roland. "Icke-avbildande optik." Scientific American, vol. 264, nr. 3, 1991, s. 76–81. JSTOR, [2]

Det finns olika kommersiella företag och universitet som arbetar med icke-avbildande optik. För närvarande är den största forskargruppen inom detta ämne Advanced Optics-gruppen vid CeDInt, en del av det tekniska universitetet i Madrid (UPM) .

Se även

• Etendue
• Acceptansvinkel
• Koncentrerad solceller
• Koncentrerad solenergi
• Solid-state belysning
• Belysning
• Anidol belysning
• Hamiltonsk optik
• Winston kon

externa länkar

• Oliver Dross et al., Genomgång av SMS-designmetoder och verkliga tillämpningar, SPIE Proceedings Vol. 5529, s. 35–47, 2004
• Compound Parabolic Concentrator för passiv strålningskylning
• Fotovoltaiska tillämpningar av Compound Parabolic Concentrator (CPC)