Кіріспе
Бейнелендірусіз оптика (сонымен қатар анидолалық оптика деп те аталады) – жарық сәулеленуін көзден нысанаға оңтайлы түрде жеткізумен айналысатын оптика саласы. Традициялық бейнелеу оптикасынан өзгеше, бұл әдістер көздің бейнесін жасауға ұмтылмайды; керісінше, көзден нысанаға жарық радиациясын оңтайлы жеткізуге арналған оптикалық жүйе қажет.
Басқа қолданбалар
Қазіргі заманғы портативті және киілетін оптикалық құрылғылар мен кішкентай өлшемді және жеңіл жүйелерге нанотехнологиялар қажет болуы мүмкін. Бұл мәселені бейнелемеуші метаоптика шеше алады, ол жарық энергиясын тиімді беру үшін металл линзалар мен метазеркалдарын пайдаланады. Жоғары энергиялы бөлшектердің соқтығысуынан туындаған сәулеленуді ең аз фотокөбейтуші түтіктер арқылы жинау. Фотонды жоғарылату құрылғыларында люминесцентті сәулеленуді жинау, ал құрама параболалық концентратор қазірге дейін геометриялық оптиканың ең перспективті коллекторы болып табылады. Бейнелемеуші оптиканы жобалаудың кейбір әдістері бейнелеу құрылғыларында да қолданыс табады, мысалы, өте жоғары сандық апертурасы бар құрылғыларда.
Теория
Жабық формадағы шешімдерді іздейтін бейнелеусіз оптикалық математикадағы алғашқы академиялық зерттеулер алғаш рет 1978 жылы оқулық түрінде жарияланды. Бұл саладағы ғылыми-зерттеу және инжинирингтің тереңдігі мен ауқымын көрсететін заманауи оқулық 2004 жылы жарық көрді. Күн энергиясын шоғырландыру немесе жалпы күн концентрациясы туралы да жарияланымдар бар, бірақ О'Галлахердің соңғы сілтемесі көбінесе бірнеше он жыл бұрын жасалған жұмысты сипаттайды. Басқа жарияланымдарға кітаптардың тараулары кіреді. Бейнелеу оптикасы күн сәулесін ең көп дегенде Күн бетінде кездесетіндей ағынмен шоғырландыра алады. Бейнелеусіз оптика күн сәулесінің қоршаған қарқындылығынан 84 000 есеге дейін шоғырландыратыны, Күн бетіндегі ағынды асып түсетіні және нысандарды Күн бетінің температурасына дейін қыздырудың теориялық (термодинамиканың екінші заңы) шегіне жақындағаны дәлелденді. Бейнелеусіз оптиканы жобалаудың ең қарапайым тәсілі – "жіптер әдісі", ол шеткі сәуле принципіне негізделген. 1990 жылдардың басында шеткі сәуле әдісіне қарағанда кеңейтілген жарық көздерін жақсырақ өңдей алатын басқа да жетілдірілген әдістер әзірленді. Олар негізінен қатты күйдегі автомобиль фаралары мен күрделі жарықтандыру жүйелеріне қатысты дизайн мәселелерін шешу үшін әзірленді. Осы жетілдірілген жобалау әдістерінің бірі – бір мезгілде көп бетті жобалау әдісі (SMS). 2D SMS жобалау әдісі жоғарыда аталған оқулықтарда егжей-тегжейлі сипатталған. 3D SMS жобалау әдісі 2003 жылы Light Prescriptions Innovators компаниясының оптикалық ғалымдар тобы әзірледі.
Шеті сәулесі принципі
Қарапайым тілмен айтқанда, шеткі сәуле принципі мынадай: егер жарық көзінің шеттерінен келетін сәулелер қабылдағыштың шеттеріне қайта бағытталса, онда жарық көзінің ішкі нүктелерінен келетін барлық сәулелер қабылдағышта аяқталады. Бейне жасаудың ешқандай шарты жоқ, жалғыз мақсаты – жарықты көзден нысанаға жеткізу. Оң жақтағы суретте көрсетілген шеткі сәуле принципі осыны көрсетеді. Линза S1S2 көзінен жарықты жинап, оны R1R2 қабылдағышына қарай қайта бағыттайды. Линзаның екі оптикалық беті бар, сондықтан оны (SMS жобалау әдісін пайдаланып) жарық көзінің S1 шетінен келетін сәулелерді көк түсті сәулелер көрсеткендей қабылдағыштың R1 шетіне бағыттауға болады. Симметрия бойынша, жарық көзінің S2 шетінен келетін сәулелер қызыл түсті сәулелер көрсеткендей қабылдағыштың R2 шетіне бағытталады. Көздің ішкі нүктесінен келетін сәулелер нысанаға қарай қайта бағытталады, бірақ олар бір нүктеде шоғырланбайды, демек бейне жасалмайды. Шындығында, егер линзаның үстіңгі бетіндегі P нүктесін қарастырсақ, S1-ден P арқылы келетін сәуле R1-ге қарай қайта бағытталады. Сондай-ақ, S2-ден P арқылы келетін сәуле R2-ге қарай қайта бағытталады. Көздің ішкі нүктесі S-ден P арқылы келетін сәуле қабылдағыштың ішкі нүктесіне қарай қайта бағытталады. Осы линза көзден өтетін барлық жарықтың қабылдағышқа қарай бағытталуын қамтамасыз етеді. Дегенмен, нысанада көздің бейнесі пайда болмайды. Бейне жасау шартын қабылдағышқа қою оптиканы күрделендіріп, көбірек оптикалық беттерді пайдалануды білдіреді, бірақ көз бен нысана арасындағы жарық беруді жақсартпайды (өйткені барлық жарық қазірдің өзінде берілген). Сондықтан бейнелемейтін оптика, жарық көзінен нысанаға сәуле беруде бейнелейтін оптикадан қарапайым және тиімді.
Құрылыс әдістері
Бейнелендірмейтін оптикалық құрылғылар әр түрлі әдістермен жасалады. Ең маңыздылары: ағыс желісі немесе Уинстон Уэлфордтың жобалау әдісі, SMS немесе Минано Бенитестің жобалау әдісі және Пуассон жақшаларын қолданатын Минаноның жобалау әдісі. Біріншісі (ағыс желісі) ең көп қолданылатын, бірақ екіншісі (SMS) өте әмбебап болып шықты, нәтижесінде оптиканың алуан түрі пайда болды. Үшіншісі теориялық оптика саласында қалып, бүгінгі күнге дейін нақты қолданыс тапқан жоқ. Көбінесе оптимизация да қолданылады. Оптикалық құрылғылардың беттері рефракциялық және рефлекциялық болады, ал жарық әртүрлі сындыру көрсеткіштеріне ие орталар арқылы өтеді. Мұндай жағдайларда оптикалық жол ұзындығы (OPL) деп аталатын шаманы анықтауға болады, мұндағы i индексі сәуленің тізбектеп келетін ауытқулары (рефракциялар немесе шағылыстар) арасындағы бөліктерін көрсетеді, ni – сындыру көрсеткіші және di – сәуле жолының әр i бөлігіндегі қашықтық. ОПЛ толқын фронттары арасында тұрақты. Бұл әдіс негізінен өте ықшам оптикалық құрылғыларды жобалауда қолданылады. Тағы бір нұсқасы – жарықты каустикалар арқылы шектеу. Жарық екі рефлексиялық бетпен ғана емес, сонымен қатар рефлексиялық бет және шеткі сәулелердің каустикасы арқылы шектеледі. Бұл оптикалық емес, жоғалтусыз беттерді оптикалық құрылғыға қосуға мүмкіндік береді.
Бір мезгілде бірнеше бетті (SMS) жобалау әдісі
Бұл бөлімде бейнелемейтін оптикалық жобалау әдісі сипатталады, бұл салада бірнеше беттерді бірдей уақытта (SMS) немесе Миняно-Бенитес жобалау әдісі деп белгілі. SMS аббревиатурасы бірнеше оптикалық беттерді бір мезгілде жобалау мүмкіндігінен туындаған. Алғашқы идея Миняноға тиесілі. Жобалау әдісі бастапқыда Миняно тарапынан 2D-де, кейін Бенитес тарапынан әзірленді. 3D геометрияға алғашқы жалпылау Бенитес еңбегінің нәтижесі болды. Содан кейін Миняно мен Бенитестің бірлескен еңбегімен әрі дамытылды. Басқа мамандар бастапқыда Миняномен, ал кейін Миняно мен Бенитеспен бірге әдісті бағдарламалау бойынша жұмыс істеді. Асфералық линзаларды жобалауда қолданылады. Мұнда келтірілген мысал күн энергиясын шоғырландыруға қатысты болғанымен, осы принциптер жалпы жарықтандыруға да қолданылады. Іс жүзінде, Кёлер оптикасы көбінесе бейнелемейтін оптиканың комбинациясы ретінде жобаланбайды, бірақ олар аз активті оптикалық беттері бар қарапайым нұсқалары болып табылады. Бұл әдістің тиімділігін төмендетсе де, оптиканы қарапайымдауға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, Кёлер оптикасы көбінесе бірнеше секторларға бөлінеді, олардың әрқайсысы жарықты жеке бағыттап, содан кейін барлық жарықты нысанаға біріктіреді. Күн энергиясын шоғырландыруға қолданылатын оптикалық жүйелердің мысалы – Френель R Кёлер оптикалық жүйесі.
Тарих
1960 жылдардың ортасында В. К. Баранов (КСРО) үш түрлі орында Мартин Плок (Германия) және Роланд Уинстон (АҚШ) фоконды (фокустау конустарын) зерттеуімен даму басталды, бұл алғашқы бейнелемеуші концентраторлардың тәуелсіз түрде пайда болуына әкелді. Осы үш алғашқы жұмыстың ішінде ең дамыған американдық жұмыс болды, нәтижесінде қазіргі бейнелемеуші оптика қалыптасты. Осы тақырыпта жақсы кіріспе Винстон, Роландтың «Бейнелемеуші оптика» деген мақаласында жарияланды. Scientific American, 264 том, 3 нөмір, 1991 жыл, 76–81 беттер. JSTOR. Бейнелемеуші оптика саласында әртүрлі коммерциялық компаниялар мен университеттер жұмыс істеп жатыр. Қазіргі уақытта осы саладағы ең ірі зерттеу тобы – Мадрид техникалық университетінің (UPM) құрамындағы CeDInt орталығының Advanced Optics тобы.
There are different commercial companies and universities working on nonimaging optics. Currently the largest research group in this subject is the Advanced Optics group at the CeDInt, part of the Technical University of Madrid (UPM).