Введение
Неизображающая оптика (также называемая анидолической оптикой) — это раздел оптики, который занимается оптимальным переносом светового излучения между источником и приемником. В отличие от традиционной изображающей оптики, используемые в ней методы не стремятся сформировать изображение источника; вместо этого требуется оптимизированная оптическая система для обеспечения оптимального переноса излучения от источника к приемнику.
Другие применения
Современные портативные и носимые оптические устройства, а также системы малых размеров и небольшого веса могут потребовать применения нанотехнологий. Решение этой задачи может быть найдено в неимаджинговой метаоптике, использующей металлинзы и метазеркала для обеспечения оптимального переноса световой энергии. Сбор излучения, генерируемого при столкновениях высокоэнергетических частиц, с использованием минимального количества фотоэлектронных умножителей. Концентрация люминесцентного излучения в устройствах преобразования частоты с использованием комбинированного параболического концентратора, который на сегодняшний день является наиболее перспективным коллектором, основанным на геометрической оптике. Некоторые методы проектирования неимаджинговой оптики также находят применение в формирующих изображения устройствах, например, в устройствах со сверхвысокой числовой апертурой.
Теория
Ранние академические исследования в области неимажевой оптической математики, направленные на поиск аналитических решений, впервые были опубликованы в виде учебника в 1978 году. Современный учебник, иллюстрирующий глубину и широту исследований и инженерных разработок в этой области, был опубликован в 2004 году. Также были опубликованы работы, посвященные концентрации солнечного света в целом, хотя последний источник, принадлежащий О'Галлахеру, в основном описывает работы, выполненные несколько десятилетий назад. Другие публикации включают главы в книгах. Имажевая оптика может концентрировать солнечный свет максимум до величины потока, наблюдаемого на поверхности Солнца. Было продемонстрировано, что неимажевая оптика способна концентрировать солнечный свет в 84 000 раз больше, чем окружающая интенсивность солнечного света, превышая поток на поверхности Солнца и приближаясь к теоретическому (второму закону термодинамики) пределу нагрева объектов до температуры поверхности Солнца. Самый простой способ проектирования неимажевой оптики называется "методом нитей", основанным на принципе краевого луча. В начале 1990-х годов были разработаны другие, более продвинутые методы, которые лучше подходят для работы с протяженными источниками света, чем метод краевых лучей. Эти методы были разработаны главным образом для решения задач проектирования, связанных с твердотельными автомобильными фарами и сложными системами освещения. Одним из таких передовых методов проектирования является метод одновременного проектирования множественных поверхностей (SMS). Двумерный метод проектирования SMS подробно описан в вышеупомянутых учебниках. Трехмерный метод проектирования SMS был разработан в 2003 году командой оптических ученых из компании 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 источника, попадут на приемник. Условия формирования изображения при этом не требуется, единственная цель – передать свет от источника к цели. На рисунке справа иллюстрирован принцип краевого луча. Линза собирает свет от источника S1S2 и перенаправляет его к приемнику R1R2. Линза имеет две оптические поверхности, и, следовательно, её можно спроектировать (с использованием метода проектирования SMS) таким образом, чтобы лучи, исходящие от края S1 источника, перенаправлялись к краю R1 приемника, как показано синими лучами. По симметрии, лучи, исходящие от края S2 источника, перенаправляются к краю R2 приемника, как показано красными лучами. Лучи, исходящие из внутренней точки S источника, перенаправляются к цели, но не фокусируются в точку, и, следовательно, изображение не формируется. Фактически, если рассмотреть точку P на верхней поверхности линзы, луч, идущий от S1 через P, будет перенаправлен к R1. Также луч, идущий от S2 через P, будет перенаправлен к R2. Луч, проходящий через P из внутренней точки S источника, будет перенаправлен к внутренней точке приемника. Таким образом, эта линза гарантирует, что весь свет от источника, проходящий через неё, будет перенаправлен к приемнику. Однако изображение источника на цели не формируется. Наложение условия формирования изображения на приемник потребовало бы использования большего количества оптических поверхностей, что усложнило бы оптическую систему, но не улучшило бы передачу света между источником и целью (поскольку весь свет уже передается). Поэтому неформообразующая оптика проще и эффективнее, чем формообразующая оптика, в передаче излучения от источника к цели.
Методы проектирования
Необразующие оптические устройства получают с использованием различных методов. Наиболее важными являются: метод проектирования по линиям потока или метод Уинстона-Уэлфорда, метод проектирования SMS или Миньяно-Бенитеса и метод Миньяно с использованием скобок Пуассона. Первый (метод линий потока) является, вероятно, наиболее распространенным, хотя второй (SMS) оказался очень универсальным, что привело к созданию широкого спектра оптических систем. Третий метод остался в области теоретической оптики и пока не нашел практического применения. Часто также используется оптимизация. Как правило, оптические системы имеют преломляющие и отражающие поверхности, и свет проходит через среды с различными показателями преломления при прохождении через оптику. В таких случаях величина, называемая длиной оптического пути (OPL), может быть определена как, где индекс i обозначает различные участки траектории луча между последовательными отклонениями (преломлениями или отражениями), ni – показатель преломления, а di – расстояние на каждом участке i траектории луча. Длина оптического пути постоянна для волновых фронтов. Основное применение этого метода – в проектировании ультракомпактной оптики. Другой подход заключается в удержании света с помощью каустик. Вместо удержания света двумя отражающими поверхностями, он удерживается отражающей поверхностью и каустикой краевых лучей. Это позволяет добавлять к оптике неоптические поверхности без потерь.
Метод проектирования одновременных многоплановых поверхностей (SMS)
В этом разделе описывается метод проектирования неимаджинговой оптики, известный в этой области как одновременное проектирование множественных поверхностей (SMS) или метод проектирования Миньяно-Бенитеса. Аббревиатура SMS происходит от того, что он позволяет одновременно проектировать несколько оптических поверхностей. Исходная идея принадлежит Миньяно. Сам метод проектирования был первоначально разработан Миньяно в 2D, а позже также Бенитесом. Первое обобщение на 3D-геометрию было предложено Бенитесом. Затем метод был значительно развит благодаря вкладу Миньяно и Бенитеса. Другие специалисты работали сначала с Миньяно, а затем с Миньяно и Бенитесом над программированием этого метода для проектирования асферических изображающих линз. Хотя приведенный здесь пример относится к концентрации солнечной энергии, те же принципы применимы к освещению в целом. На практике оптику Кёлера обычно не проектируют как комбинацию неимаджинговой оптики, но она представляет собой упрощенные версии с меньшим количеством активных оптических поверхностей. Это снижает эффективность метода, но позволяет использовать более простую оптику. Кроме того, оптику Кёлера часто разделяют на несколько секторов, каждый из которых направляет свет отдельно, а затем объединяет весь свет в фокусе. Примером одной из таких оптических систем, используемых для солнечной концентрации, является Френель R Кёлер.
История
Разработка началась в середине 1960-х годов в трех разных местах: В. К. Баранов (СССР) изучал фоконы (фокусирующие конусы), Мартин Плоке (Германия) и Роланд Уинстон (Соединенные Штаты). Это привело к независимому созданию первых неформообразующих концентраторов. Из этих трех ранних работ наиболее развитой была американская, что и положило начало современной неформообразующей оптике. Хорошее введение опубликовал Уинстон, Роланд. «Неформообразующая оптика». Scientific American, vol. 264, no. 3, 1991, pp. 76–81. JSTOR.
В настоящее время различные коммерческие компании и университеты ведут исследования в области неформообразующей оптики. Крупнейшей исследовательской группой в этой области является группа перспективных оптических технологий (Advanced Optics) в CeDInt, входящем в состав Технического университета Мадрида (UPM).