Görüntülemeyen optikler - Nonimaging optics - Wikipedia

Görüntülemeyen optikler (olarak da adlandırılır anidolik optik)[1][2][3] şubesi optik optimal transferi ile ilgili ışık kaynak ve hedef arasındaki radyasyon. Geleneksel görüntüleme optiklerinin aksine, ilgili teknikler bir görüntü kaynağın; bunun yerine optimum için optimize edilmiş bir optik sistem ışıma aktarımı bir kaynaktan bir hedefe arzu edilir.

Başvurular

Görüntülemeyen optiklerin görüntüleme optiklerinden daha iyi çözdüğü iki tasarım sorunu şunlardır:[4]

  • güneş enerjisi konsantrasyonu: bir alıcıya, tipik olarak bir güneş hücresine veya bir termal alıcıya uygulanan enerji miktarını en üst düzeye çıkarmak
  • aydınlatma: ışık dağılımını kontrol ederek, tipik olarak bazı alanlara "eşit" şekilde yayılır ve diğer alanlardan tamamen engellenir

Hedefte optimize edilecek tipik değişkenler toplamı içerir ışıma akısı, optik radyasyonun açısal dağılımı ve optik radyasyonun uzaysal dağılımı. Optik sistemin hedef tarafındaki bu değişkenler, kaynaktaki optik sistemin toplama verimliliği göz önünde bulundurularak aynı anda optimize edilmelidir.

Güneş enerjisi konsantrasyonu

Belirli bir konsantrasyon için, görüntülemeyen optikler mümkün olan en geniş kabul açıları ve bu nedenle, örneğin güneş enerjisi konsantrasyonunda kullanım için en uygun olanlardır. konsantre fotovoltaikler. "Geleneksel" görüntüleme optikleriyle karşılaştırıldığında (örneğin parabolik reflektörler veya fresnel lensler ), güneş enerjisini yoğunlaştırmak için görüntülemeyen optiklerin ana avantajları şunlardır:[5]

  • daha geniş kabul açıları aşağıdakiler için daha yüksek toleranslarla (ve dolayısıyla daha yüksek verimliliklerle) sonuçlanır:
    • daha az hassas izleme
    • kusurlu üretilmiş optikler
    • kusurlu bir şekilde monte edilmiş bileşenler
    • rüzgar nedeniyle sistemin hareketleri
    • destekleyici yapının sonlu sertliği
    • yaşlanmaya bağlı deformasyon
    • güneş etrafındaki radyasyonun tutulması
    • sistemdeki diğer kusurlar
  • daha yüksek güneş konsantrasyonları
  • alıcının tek tip aydınlatma olasılığı
  • tasarım esnekliği: farklı geometrilere sahip farklı optik türleri, farklı uygulamalar için uyarlanabilir

Ayrıca, düşük konsantrasyonlar için çok geniş kabul açıları görüntülemeyen optiklerin güneş izleme tamamen veya yılda birkaç pozisyonla sınırlandırın.

Görüntülemeyen optiklerin temel dezavantajı, parabolik reflektörler veya fresnel lensler yüksek konsantrasyonlar için, tipik olarak bir tane daha optik yüzeye sahip olmaları ve verimliliği biraz düşürmeleridir. Bununla birlikte, bu, yalnızca optikler mükemmel bir şekilde güneşi hedeflediğinde farkedilir; bu, pratik sistemlerdeki kusurlar nedeniyle tipik olarak böyle değildir.

Aydınlatma optiği

Görüntülemeyen optik cihazların örnekleri arasında optik ışık kılavuzları, görüntülemeyen reflektörler, görüntülemeyen lensler veya bu cihazların bir kombinasyonu. Görüntülemeyen optiğin yaygın uygulamaları, aydınlatma mühendisliğinin birçok alanını içerir (aydınlatma ). Görüntülemeyen optik tasarımların modern uygulamalarının örnekleri şunları içerir: otomotiv farlar, LCD arkadan aydınlatma, ışıklı enstrüman paneli ekranlar, fiber optik aydınlatma cihazları, LED ışıklar, projeksiyon görüntüleme sistemleri ve armatürler.

"Geleneksel" tasarım teknikleriyle karşılaştırıldığında, görüntülemeyen optikler aydınlatma için aşağıdaki avantajlara sahiptir:

  • genişletilmiş kaynakların daha iyi kullanılması
  • daha kompakt optikler
  • renk karıştırma yetenekleri
  • ışık kaynaklarının kombinasyonu ve farklı yerlere ışık dağılımı
  • gittikçe daha popüler hale gelmek için çok uygun LED ışık kaynakları
  • ışık kaynağı ve optiğin göreceli konumundaki değişikliklere tolerans

Güneş enerjisi kullanan görüntülemeyen aydınlatma optiklerine örnekler: anidolik aydınlatma veya güneş enerjisi boruları.

Diğer uygulamalar

En azını kullanarak yüksek enerjili parçacık çarpışmalarından yayılan radyasyonu toplamak fotoçoğaltıcı tüpler.[6]

Görüntülemeyen optikler için tasarım yöntemlerinden bazıları, örneğin bazıları ultra yüksek sayısal açıklığa sahip görüntüleme cihazlarında da uygulama bulmaktadır.[7]

Teori

Kapalı form çözümleri arayan görüntüleme dışı optik matematik alanındaki ilk akademik araştırmalar ilk olarak 1978 kitapta ders kitabı biçiminde yayınlandı.[8] Bu alandaki araştırma ve mühendisliğin derinliğini ve genişliğini gösteren modern bir ders kitabı 2004 yılında yayınlandı.[2] Bu alana kapsamlı bir giriş 2008'de yayınlandı.[1]

Güneş konsantrasyonu için Fresnel lensler gibi görüntülemeyen optiklerin özel uygulamaları[9] veya genel olarak güneş konsantrasyonu[10] O'Gallagher'ın bu son referansı çoğunlukla birkaç on yıl önce geliştirilen çalışmayı tanımlasa da yayımlanmıştır. Diğer yayınlar kitap bölümlerini içerir.[11]

Görüntüleme optiği, güneş ışığını, en fazla, güneş yüzeyinde bulunan aynı akıya yoğunlaştırabilir.Kimaging optiklerin, güneş ışığını, güneş yüzeyinde bulunan akıyı aşarak, güneş ışığının ortam yoğunluğunun 84.000 katına yoğunlaştırdığı gösterilmiştir ve ısıtma nesnelerinin teorik (termodinamiğin 2. yasası) sınırına güneş yüzeyinin sıcaklığına yaklaşmak.[12]

Görüntülemeyen optikleri tasarlamanın en basit yolu "dizge yöntemi" olarak adlandırılır.[13] göre kenar ışını prensibi. 1990'ların başında, genişletilmiş ışık kaynaklarını edge-ray yönteminden daha iyi idare edebilen daha gelişmiş yöntemler geliştirildi. Bunlar, öncelikle katı hal otomobil farları ve karmaşık aydınlatma sistemleriyle ilgili tasarım sorunlarını çözmek için geliştirildi. Bu gelişmiş tasarım yöntemlerinden biri, Eşzamanlı Çoklu Yüzey tasarım yöntemi (SMS). 2D SMS tasarım yöntemi (ABD Patenti 6,639,733) yukarıda belirtilen ders kitaplarında ayrıntılı olarak anlatılmıştır. 3D SMS tasarım yöntemi (ABD Patenti 7,460,985) 2003 yılında Light Prescription Innovators'da optik bilimcilerden oluşan bir ekip tarafından geliştirilmiştir.[14]

Kenar ışını prensibi

Basit bir ifadeyle, kenar ışını prensibi kaynağın kenarlarından gelen ışık ışınlarının alıcının kenarlarına yönlendirilmesi durumunda, bu kaynağın iç noktalarından gelen tüm ışık ışınlarının alıcıya ulaşmasını sağlayacağını belirtir. Görüntü oluşumunda şart yoktur, tek amaç ışığı kaynaktan hedefe aktarmaktır.

Figür Kenar ışını prensibi sağdaki bu prensibi göstermektedir. Bir mercek, bir kaynaktan ışık toplar S1S2 ve onu bir alıcıya yönlendirir R1R2.

Kenar ışını prensibi

Lensin iki optik yüzeyi vardır ve bu nedenle onu tasarlamak mümkündür ( SMS tasarım yöntemi ) böylece kenardan gelen ışık ışınları S1 kaynağın% 'si kenara doğru yönlendirilir R1 mavi ışınlarla gösterildiği gibi alıcının Simetri ile kenardan gelen ışınlar S2 Kaynağın% 'si kenara doğru yönlendirilir R2 kırmızı ışınlarla gösterildiği gibi alıcının İç bir noktadan gelen ışınlar S kaynaktaki hedefe yönlendirilir, ancak bir noktaya yoğunlaşmaz ve bu nedenle hiçbir görüntü oluşmaz.

Aslında, bir noktayı düşünürsek P merceğin üst yüzeyinde, bir ışın S1 vasıtasıyla P yönüne yönlendirilecek R1. Ayrıca bir ışın geliyor S2 vasıtasıyla P yönüne yönlendirilecek R2. Bir ışın geliyor P içsel bir noktadan S kaynakta, alıcının bir iç noktasına yönlendirilecektir. Bu lens daha sonra kaynaktan kesişen tüm ışığın alıcıya doğru yönlendirileceğini garanti eder. Ancak hedef üzerinde kaynağın görüntüsü oluşmaz. Görüntü oluşum koşulunun alıcıya empoze edilmesi, daha fazla optik yüzey kullanılması anlamına gelecek ve optiği daha karmaşık hale getirecek, ancak kaynak ve hedef arasındaki ışık transferini iyileştirmeyecektir (çünkü tüm ışık zaten aktarılmıştır). Bu nedenle, görüntülemeyen optikler, radyasyonu bir kaynaktan bir hedefe aktarmada görüntüleme optiklerinden daha basit ve daha etkilidir.

Tasarım yöntemleri

Görüntülemeyen optik cihazlar farklı yöntemler kullanılarak elde edilir. En önemlileri: akış hattı veya Winston-Welford tasarım yöntemi, SMS veya Miñano-Benitez tasarım yöntemi ve Poisson parantez kullanan Miñano tasarım yöntemi. Birincisi (akış hattı) muhtemelen en çok kullanılanıdır, ancak ikincisi (SMS) çok yönlü olduğunu kanıtlamıştır ve çok çeşitli optiklerle sonuçlanmıştır. Üçüncüsü, teorik optik alanında kaldı ve bugüne kadar gerçek dünyada uygulama bulamadı. Sıklıkla optimizasyon ayrıca kullanılır.[kaynak belirtilmeli ]

Tipik olarak optikler, kırılma ve yansıtıcı yüzeylere sahiptir ve ışık, farklı ortamların içinden geçer. kırılma indeksleri optiği geçerken. Bu durumlarda bir miktar optik yol uzunluğu (OPL) şu şekilde tanımlanabilir: indeks nerede ben farklı olduğunu gösterir ışın ardışık sapmalar arasındaki bölümler (kırılmalar veya yansımalar), nben kırılma indisi ve dben her bölümdeki mesafe ben ışın yolunun.

Sabit OPL

OPL arasında sabittir dalga cepheleri.[1] Bu, sağdaki "sabit OPL" şeklinde kırılma için görülebilir. Bir ayrılığı gösteriyor c(τ) iki kırılma indisi ortamı arasında n1 ve n2, nerede c(τ) tarafından tanımlanmıştır parametrik denklem parametre ile τ. Ayrıca dalga cephesine dik bir dizi ışın da gösterilmiştir. w1 ve kırılma indisi ortamında seyahat n1. Bu ışınlar kırılır c(τ) kırılma indisi ortamına n2 dalga cephesine dik yönlerde w2. Ray rBir haçlar c noktada c(τBir) ve bu nedenle ray rBir parametre ile tanımlanır τBir açık c. Aynı şekilde ray rB parametre ile tanımlanır τB açık c. Ray rBir optik yol uzunluğuna sahiptir S(τBir) = n1d5 + n2d6. Ayrıca ışın rB optik yol uzunluğuna sahiptir S(τB) =n1d7 + n2d8. Işınlar için optik yol uzunluğundaki fark rBir ve rB tarafından verilir:

Bu integralin değerini hesaplamak için değerlendiriyoruz S(τ+)-S(τ), yine aynı rakamın yardımıyla. Sahibiz S(τ) = n1d1+n2(d3+d4) ve S(τ+) = n1(d1+d2)+n2d4. Bu ifadeler şu şekilde yeniden yazılabilir: S(τ) = n1d1+n2dc günahθ2+n2d4 ve S(τ+) = n1d1+n1dc günahθ1+n2d4. Yasasından refraksiyon n1günahθ1=n2günahθ2 ve bu nedenle S(τ+) = S(τ), giden S(τBir)=S(τB). Bunlar keyfi ışınlar olabileceğinden carasındaki optik yol uzunluğunun w1 ve w2 gelen dalga cephesine dik olan tüm ışınlar için aynıdır w1 ve giden wavefront w2.

Düşünme durumunda da benzer sonuçlar çıkarılabilir, sadece bu durumda n1=n2. Arasındaki bu ilişki ışınlar ve dalga cepheleri genel olarak geçerlidir.

Akış hattı tasarım yöntemi

Akış çizgisi (veya Winston-Welford) tasarım yöntemi tipik olarak, ışığı iki yansıtıcı yüzey arasında sınırlayan ışığı yönlendiren optiğe yol açar. Bu cihazlardan en iyi bilineni TBM'dir (Bileşik Parabolik Konsantratör ).

Bu tip optikler, örneğin sağdaki şekil "CEC" de gösterildiği gibi, görüntülemeyen optiklerin kenar ışını aynalı optiklerin tasarımına uygulanarak elde edilebilir. İki eliptik aynadan oluşur e1 odaklarla S1 ve R1 ve simetrik e2 odaklarla S2 ve R2.

CEC

Ayna e1 kenardan gelen ışınları yeniden yönlendirir S1 kaynağın kenara doğru R1 alıcının ve simetri ile ayna e2 kenardan gelen ışınları yeniden yönlendirir S2 kaynağın kenarına doğru R2 alıcının. Bu cihaz, kaynağın bir görüntüsünü oluşturmuyor S1S2 alıcıda R1R2 bir noktadan gelen yeşil ışınların gösterdiği gibi S alıcıya ulaşan ancak bir görüntü noktasına odaklanmayan kaynakta. Ayna e2 kenarda başlar R1 Ayna ile alıcı arasında bir boşluk bırakılması, ışığın ikisi arasında kaçmasına izin vereceğinden alıcının Ayrıca ayna e2 ışında biter r Bağlanıyor S1 ve R2 Kısa kesmek, olabildiğince fazla ışık yakalamasını engelleyeceği için r gelen ışığı gölgeleyecekti S1 ve kaynağın komşu noktaları. Ortaya çıkan cihaz bir CEC (Bileşik Eliptik Yoğunlaştırıcı) olarak adlandırılır.

TBM

Bu tasarımın belirli bir durumu, kaynak S1S2 sonsuz büyüklükte olur ve sonsuz bir mesafeye hareket eder. Sonra gelen ışınlar S1 paralel ışınlar haline gelir ve gelenler için aynı S2 ve eliptik aynalar e1 ve e2 parabolik aynalara yakınsamak p1 ve p2. Ortaya çıkan cihaza CPC (Bileşik Parabolik Konsantratör ) ve soldaki "TBM" şeklinde gösterilir. CPC'ler en yaygın görülen görüntüleme dışı optiklerdir. Genellikle Görüntüleme optiği ve görüntüleme olmayan optikler arasındaki farkı göstermek için kullanılırlar.

CPC'den görüldüğünde, gelen radyasyon (sonsuz kaynaktan sonsuz bir mesafede yayılan) bir açının altındadır ±θ (toplam açı 2θ). Buna CPC'nin kabul açısı denir. Bu ismin nedeni sağ taraftaki "kabul açısını gösteren ışınlar" şeklinde anlaşılabilir. Gelen bir ışın r1 bir açıda θ dikey (sonsuz kaynağın kenarından gelen), TBM tarafından kenara doğru yönlendirilir R1 alıcının.

Kabul açısını gösteren ışınlar

Başka bir ışın r2 bir açıda α<θ dikey (sonsuz kaynağın bir iç noktasından gelen) alıcının bir iç noktasına yönlendirilir. Ancak, bir ışın r3 bir açıda β>θ dikey (sonsuz kaynağın dışındaki bir noktadan gelen), kendisi tarafından reddedilene kadar TBM içinde zıplar. Bu nedenle, sadece kabul açısının içindeki ışık ±θ optik tarafından yakalanır; dışarıdaki ışık reddedilir.

Bir CEC'nin elipsleri şu şekilde elde edilebilir: (iğneler ve) dize yöntemi, soldaki "dize yöntemi" şeklinde gösterildiği gibi. Kenar noktasına sabit uzunlukta bir dizi eklenir S1 kaynak ve kenar noktasının R1 alıcının.

Dize yöntemi

Bir kalemi yukarı ve aşağı hareket ettirirken eliptik aynayı çizerken ip gergin tutulur. e1. Şimdi düşünebiliriz dalga cephesi w1 merkezli bir daire olarak S1. Bu dalga cephesi, dışarı çıkan tüm ışınlara diktir. S1 ve uzaklık S1 -e w1 tüm noktaları için sabittir. Aynısı wavefront için de geçerlidir w2 merkezli R1. Uzaklık w1 -e w2 daha sonra yansıyan tüm ışık ışınları için sabittir e1 ve bu ışık ışınları her ikisine de diktir, gelen dalga cephesi w1 ve giden wavefront w2.

Optik yol uzunluğu (OPL), dalga cepheleri arasında sabittir. Görüntülemeyen optiklere uygulandığında, bu sonuç sicim yöntemini hem kırılma hem de yansıtıcı yüzeylere sahip optiğe genişletir. Soldaki Şekil "DTIRC" (Dielektrik Toplam İç Yansıma Konsantratörü) böyle bir örneği göstermektedir.

DTIRC

Üst yüzeyin şekli s örneğin bir daire olarak reçete edilir. Sonra yan duvar m1 sabit optik yol uzunluğu koşulu ile hesaplanır S=d1+n g2+n g3 nerede d1 gelen dalga cephesi arasındaki mesafedir w1 ve nokta P üst yüzeyde s, d2 ... mesafe arasında P ve Q ve d3 arasındaki mesafe Q ve giden wavefront w2, dairesel ve ortalanmış R1. Yan duvar m2 simetriktir m1. Cihazın kabul açısı 2θ.

Bu optikler akış hattı optiği olarak adlandırılır ve bunun nedeni sağdaki "CPC akış çizgileri" şeklinde gösterilmiştir. Kabul açısı 2 olan bir TBM'yi gösterirθ, iç noktalarından birini vurgulayarak P.

TBM akış çizgileri

Bu noktayı geçen ışık, açısal açıklık 2 konisi ile sınırlıdır.α. Bir çizgi f ayrıca kimin teğet noktada P bu ışık konisini ikiye böler ve bu nedenle, "ışık akışı" yönünü gösterir. P. Bu tür birkaç başka çizgi de şekilde gösterilmektedir. Hepsi CPC içindeki her noktada kenar ışınlarını ikiye bölerler ve bu nedenle her noktadaki teğetleri ışık akış yönünü gösterir. Bunlara akış çizgileri denir ve TBM'nin kendisi yalnızca akış çizgisinin bir kombinasyonudur p1 Buradan başlayarak R2 ve p2 Buradan başlayarak R1.

Akış hattı tasarım yöntemindeki varyasyonlar

Akış hattı tasarım yönteminde bazı farklılıklar vardır.[1]

Bir varyasyon, ışığın birkaç "kanala" bölündüğü ve daha sonra tek bir çıktıda yeniden birleştirildiği çok kanallı veya kademeli akış hattı optikleridir. Aplanatik (belirli bir durum SMS ) bu tasarımların versiyonları da geliştirilmiştir.[15] Bu yöntemin ana uygulaması ultra kompakt optiklerin tasarımındadır.

Diğer bir varyasyon, ışığın hapsedilmesidir. kostik. Işığın iki yansıtıcı yüzeyle sınırlanması yerine, yansıtıcı bir yüzey ve kenar ışınlarının yakıcılığı ile sınırlandırılmıştır. Bu, optiğe kayıpsız optik olmayan yüzeyler ekleme imkanı sağlar.

Eşzamanlı çoklu yüzey (SMS) tasarım yöntemi

Bu bölüm açıklar

sahada eşzamanlı çoklu yüzey (SMS) veya Miñano-Benitez tasarım yöntemi olarak bilinen görüntülemeyen optik tasarım yöntemi. SMS kısaltması, birden çok optik yüzeyin eşzamanlı tasarımına olanak vermesinden kaynaklanmaktadır. Orijinal fikir Miñano'dan geldi. Tasarım yönteminin kendisi başlangıçta 2 boyutlu olarak Miñano tarafından ve daha sonra Benítez tarafından geliştirildi. 3 boyutlu geometriye ilk genelleme Benítez'den geldi. Daha sonra Miñano ve Benítez'in katkılarıyla daha da geliştirildi. Diğer insanlar yöntemi programlamak için önce Miñano ile ve daha sonra Miñano ve Benítez ile çalıştı.[1]

Tasarım prosedürü

Schulz tarafından kullanılan algoritma ile ilgilidir[16][17] asferik görüntüleme lenslerinin tasarımında.[1]

SMS (veya Miñano-Benitez) tasarım yöntemi çok yönlüdür ve birçok farklı optik türü bu yöntem kullanılarak tasarlanmıştır. 2D versiyonu, iki tasarıma izin verir (daha fazlası da mümkündür) asferik aynı anda yüzeyler. 3D versiyonu, optik tasarımına izin verir. serbest biçimli yüzeyler (anamorfik olarak da adlandırılır) herhangi bir simetriye sahip olmayan yüzeyler.

SMS optiği, dalga cepheleri arasında sabit bir optik yol uzunluğu uygulanarak da hesaplanır. Sağdaki şekil "SMS zinciri" bu optiklerin nasıl hesaplandığını göstermektedir. Genelde gelen dalga cephesine dik olan ışınlar w1 giden wavefront'a bağlanacak w4 ve gelen dalga cephesine dik olan ışınlar w2 giden wavefront'a bağlanacak w3 ve bu dalga cepheleri herhangi bir şekilde olabilir. Bununla birlikte, basitlik adına, bu şekil belirli bir durumu veya dairesel dalga cephelerini göstermektedir. Bu örnek, belirli bir kırılma indisine sahip bir lensi göstermektedir. n bir kaynak için tasarlanmış S1S2 ve bir alıcı R1R2.

SMS zinciri

Kenardan yayılan ışınlar S1 kaynağın% 100'ü kenara odaklanmıştır R1 alıcının ve kenardan yayılanların S2 kaynağın% 100'ü kenara odaklanmıştır R2 alıcının. Önce bir nokta seçiyoruz T0 ve lensin üst yüzeyinde normaldir. Şimdi bir ışın alabiliriz r1 gelen S2 ve onu kırın T0. Şimdi optik yol uzunluğunu seçme S22 arasında S2 ve R2 noktayı hesaplamamıza izin veren bir koşulumuz var B1 lensin alt yüzeyinde. Normal B1 bu noktada gelen ve giden ışınların yönlerinden ve lensin kırılma indisinden de hesaplanabilir. Şimdi ışın alarak işlemi tekrarlayabiliriz r2 gelen R1 ve onu kırmak B1. Şimdi optik yol uzunluğunu seçme S11 arasında R1 ve S1 noktayı hesaplamamıza izin veren bir koşulumuz var T1 lensin üst yüzeyinde. Normal T1 bu noktada gelen ve giden ışınların yönlerinden ve lensin kırılma indisinden de hesaplanabilir. Şimdi, kırılıyor T1 bir ışın r3 gelen S2 yeni bir nokta hesaplayabiliriz B3 ve aynı optik yol uzunluğunu kullanarak alt yüzeyde karşılık gelen normal S22 arasında S2 ve R2. Kırılma B3 bir ışın r4 gelen R1 yeni bir nokta hesaplayabiliriz T3 ve aynı optik yol uzunluğunu kullanarak üst yüzeyde karşılık gelen normal S11 arasında R1 ve S1. İşlem başka bir nokta hesaplanarak devam ediyor B5 alt yüzeyde başka bir kenar ışını kullanarak r5, ve benzeri. Noktaların dizisi T0 B1 T1 B3 T3 B5 SMS zinciri olarak adlandırılır.

Noktadan sağa doğru başka bir SMS zinciri oluşturulabilir T0. Bir ışın S1 kırıldı T0 bir noktayı ve normali tanımlar B2 sabit optik yol uzunluğu kullanarak alt yüzeyde S11 arasında S1 ve R1. Şimdi bir ışın R2 kırıldı B2 yeni bir noktayı ve normal T2 sabit optik yol uzunluğu kullanarak üst yüzeyde S22 arasında S2 ve R2. Süreç SMS zincirine daha fazla nokta eklendikçe devam eder.Şekilde gösterilen bu örnekte, optiğin sol-sağ simetrisi vardır ve bu nedenle B2 T2 B4 T4 B6 merceğin dikey ekseni etrafında simetri ile de elde edilebilir.

Şimdi düzlemde bir dizi aralıklı noktamız var. Soldaki "SMS dış görünümü", her iki optik yüzeyi tamamen tanımlayarak noktalar arasındaki boşlukları doldurmak için kullanılan işlemi göstermektedir.

SMS dış görünümü

Diyelim ki iki nokta seçiyoruz B1 ve B2, karşılık gelen normalleri ile ve bir eğriyi hesaplayın c onların arasında. Şimdi bir nokta seçiyoruz B12 ve normal c. Bir ışın r1 gelen R1 ve kırıldı B12 yeni bir noktayı tanımlar T01 ve arasında normal T0 ve T1 aynı sabit optik yol uzunluğunu uygulayarak üst yüzeyde S11 arasında S1 ve R1. Şimdi bir ışın r2 gelen S2 ve kırıldı T01 aynı sabit optik yol uzunluğunu uygulayarak alt yüzeyde yeni bir nokta ve normal tanımlar S22 arasında S2 ve R2. Süreç ışınlarla devam ediyor r3 ve r4 noktalar arasındaki boşlukları dolduran yeni bir SMS zinciri oluşturmak. Eğri üzerinde diğer noktaları ve bunlara karşılık gelen normalleri seçmek c bize başlangıçta hesaplanan diğer SMS noktaları arasında daha fazla puan verir.

Genel olarak, iki SMS optik yüzeyin kırılmaya ihtiyacı yoktur. Yansıtıcı yüzeyler X (İspanyolca refleXión kelimesinden) not edilirken kırılma yüzeyleri R (Kırılmadan) not edilir. Toplam İç Yansıma (TIR), I. Bu nedenle, iki kırılma yüzeyine sahip bir mercek bir RR optiği iken, bir yansıtıcı ve bir kırılma yüzeyine sahip bir başka konfigürasyon bir XR optiğidir. Daha fazla optik yüzeye sahip konfigürasyonlar da mümkündür ve örneğin, ışık önce kırılır (R), sonra yansıtılır (X) ve sonra TIR (I) tarafından tekrar yansıtılırsa, optiğe RXI denir.

SMS 3 boyutlu SMS'e benzer 2D, ancak şimdi tüm hesaplamalar 3B alanda yapılıyor. Sağdaki "SMS 3D zinciri" bir SMS 3D hesaplama algoritmasını göstermektedir.

SMS 3D zinciri

İlk adım, gelen dalga cephelerini seçmektir. w1 ve w2 ve giden dalga cepheleri w3 ve w4 ve optik yol uzunluğu S14 arasında w1 ve w4 ve optik yol uzunluğu S23 arasında w2 ve w3. Bu örnekte optik, iki kırılma yüzeyi olan bir mercektir (bir RR optiği), bu nedenle kırılma indisinin de belirtilmesi gerekir. SMS 2D ve SMS 3D arasındaki bir fark, başlangıç ​​noktasının nasıl seçileceğidir. T0, şimdi seçilen bir 3B eğri üzerinde a. Nokta için seçilen normal T0 eğriye dik olmalıdır a. Süreç artık SMS 2D'ye benzer şekilde gelişiyor. Bir ışın r1 gelen w1 kırıldı T0 ve optik yol uzunluğu ile S14, yeni bir nokta B2 alt yüzeyde normali elde edilir. Şimdi ışın r2 gelen w3 kırıldı B2 ve optik yol uzunluğu ile S 23, yeni bir nokta T2 üst yüzeyde normali elde edilir. Işın ile r3 yeni bir nokta B2 ve ışın ile normal elde edilir r4 yeni bir nokta T4 ve normal elde edilir, vb. Bu işlem 3 boyutlu alanda gerçekleştirilir ve sonuç 3 boyutlu bir SMS zinciridir. SMS 2D'de olduğu gibi, solunda bir dizi nokta ve normal T0 aynı yöntem kullanılarak da elde edilebilir. Şimdi başka bir nokta seçmek T0 eğri üzerinde a işlem tekrarlanabilir ve lensin üst ve alt yüzeylerinde daha fazla nokta elde edilebilir.

SMS yönteminin gücü, gelen ve giden dalga cephelerinin kendilerinin serbest biçimli olabilmeleri ve bu da yönteme büyük bir esneklik kazandırması gerçeğinde yatmaktadır. Ayrıca, yansıtıcı yüzeylere sahip optikler veya yansıtıcı ve kırıcı yüzey kombinasyonları tasarlayarak, farklı konfigürasyonlar mümkündür.

Poisson parantez kullanan Miñano tasarım yöntemi

Bu tasarım yöntemi Miñano tarafından geliştirilmiştir ve şu temellere dayanmaktadır: Hamilton optiği Geometrik optiklerin Hamilton formülasyonu[1][2] matematiksel formülasyonun çoğunu paylaşan Hamilton mekaniği. Değişken kırılma indisine sahip optik tasarımına izin verir ve bu nedenle diğer yöntemler kullanılarak çözülemeyen bazı görüntüleme dışı sorunları çözer. Bununla birlikte, değişken kırılma indisli optiklerin üretimi hala mümkün değildir ve bu yöntem, potansiyel olarak güçlü olmasına rağmen, henüz pratik bir uygulama bulamamıştır.

Etüdün korunması

Koruma en sonunda görüntülemeyen optikte merkezi bir kavramdır. Konsantrasyon optiğinde, kabul açısı ile maksimum konsantrasyon mümkün. Etüdün korunması sabit bir hareket hacmi olarak görülebilir faz boşluğu.

Köhler entegrasyonu

Bazı uygulamalarda belirli bir ışıma (veya aydınlık ) kaynağın hareketlerine veya homojen olmama durumlarına izin verirken, bir hedef üzerindeki model. Sağdaki Şekil "Köhler entegratörü", bunu belirli bir güneş yoğunlaşması durumu için göstermektedir. Burada ışık kaynağı gökyüzünde hareket eden güneştir. Solda bu şekil bir mercek göstermektedir L1 L2 Güneş ışığı olayını bir açıyla yakalamak α için Optik eksen ve onu bir alıcıya yoğunlaştırmak L3 L4. Görüldüğü gibi, bu ışık alıcıdaki bir sıcak noktaya yoğunlaşıyor. Bu, bazı uygulamalarda bir sorun olabilir. Bunu aşmanın bir yolu, yeni bir mercek eklemektir. L3 -e L4 ışığı yakalayan L1 L2 ve bir alıcıya yönlendirir R1 R2, şeklin ortasında gösterildiği gibi.

Köhler entegratörü

Şeklin ortasındaki durum görüntülemeyen bir lensi göstermektedir L1 L2 güneş ışığının (burada bir dizi paralel ışınlar olarak kabul edilir) bir açıyla geleceği şekilde tasarlanmıştır. θ için Optik eksen noktaya konsantre olacak L3. Öte yandan görüntülemeyen lens L3 L4 ışık ışınlarının geleceği şekilde tasarlanmıştır. L1 odaklandılar R2 ve gelen ışık ışınları L2 odaklandılar R1. Bu nedenle ışın r1 bir açıda ilk mercekte olay θ yönüne yönlendirilecek L3. İkinci merceğe çarptığında, noktadan geliyor L1 ve ikinci mercek tarafından şuraya yeniden yönlendirilir: R2. Öte yandan, ray r2 bir açıda ilk mercekte de olay θ ayrıca yönüne yönlendirilecek L3. Ancak, ikinci merceğe çarptığında, noktadan geliyor. L2 ve ikinci mercek tarafından şuraya yeniden yönlendirilir: R1. Bir açıda ilk lense gelen ara ışınlar θ arasındaki noktalara yönlendirilecek R1 ve R2, alıcıyı tamamen aydınlatıyor.

Aynı şekilde sağda gösterilen durumda da benzer bir şey olur. Ray r3 bir açıda ilk mercekte olay α<θ arasındaki bir noktaya yönlendirilecek L3 ve L4. İkinci merceğe çarptığında, noktadan geliyor L1 ve ikinci mercek tarafından şuraya yeniden yönlendirilir: R2. Ayrıca Ray r4 bir açıda ilk mercekte olay α<θ arasındaki bir noktaya yönlendirilecek L3 ve L4. İkinci merceğe çarptığında, noktadan geliyor L2 ve ikinci mercek tarafından şuraya yeniden yönlendirilir: R1. Bir açıda ilk lense gelen ara ışınlar α<θ arasındaki noktalara yönlendirilecek R1 ve R2ayrıca alıcıyı tamamen aydınlatır.

Bu optik eleman kombinasyonuna Köhler aydınlatma.[18] Burada verilen örnek güneş enerjisi konsantrasyonu için olsa da, genel olarak aydınlatma için aynı prensipler geçerlidir. Pratikte, Köhler optiği tipik olarak görüntülemeyen optiklerin bir kombinasyonu olarak tasarlanmamıştır, ancak daha az sayıda aktif optik yüzeye sahip basitleştirilmiş versiyonlardır. Bu, yöntemin etkinliğini azaltır, ancak daha basit optiklere izin verir. Ayrıca, Köhler optiği genellikle birkaç sektöre ayrılır, her biri ışığı ayrı ayrı yönlendirir ve ardından tüm ışığı hedef üzerinde birleştirir.

Güneş yoğunlaşması için kullanılan bu optiklerin bir örneği Fresnel-R Köhler'dir.[19]

Bileşik parabolik yoğunlaştırıcı

Karşıdaki çizimde iki parabolik ayna var CC ' (kırmızı ve DD ' (mavi). Her iki parabol de kesilir B ve Bir sırasıyla. Bir parabolün odak noktasıdır CC ' ve B parabolün odak noktasıdır DD ' Alan DC giriş açıklığı ve düz emici AB. Bu TBM'nin kabul açısı θ.

Görüntülemeyen bileşik parabolik yoğunlaştırıcı ve parabolik yoğunlaştırıcı arasındaki karşılaştırma

Parabolik yoğunlaştırıcının bir giriş açıklığı vardır. DC ve bir odak noktası F.

Parabolik yoğunlaştırıcı, yalnızca giriş açıklığına dik olan ışık ışınlarını kabul eder. DC. Bu tür bir yoğunlaştırıcının takibi daha kesin olmalı ve pahalı ekipman gerektirir.

Bileşik parabolik yoğunlaştırıcı, daha fazla miktarda ışığı kabul eder ve daha az hassas takip gerektirir.

3 boyutlu "görüntülemeyen bileşik parabolik yoğunlaştırıcı" için, maksimum konsantrasyon havada veya vakumda mümkündür (giriş ve çıkış açıklık alanlarının oranına eşittir):

nerede (daha büyük açıklığın) kabul açısının yarı açısıdır.[2][20]

Tarih

Geliştirme, 1960'ların ortalarında V. K. Baranov tarafından üç farklı yerde başladı (SSCB ) foconların çalışmasıyla (odaklanma konileri)[21][22] Martin Ploke (Almanya),[23] ve Roland Winston (Amerika Birleşik Devletleri),[24] ve ilk görüntüleme olmayan yoğunlaştırıcıların bağımsız kökenine yol açtı,[1] daha sonra güneş enerjisi konsantrasyonuna uygulandı.[25] Bu en eski üç eser arasında, en gelişmiş olanı Amerikan olanıydı ve bugün görüntülemeyen optiklerin ne olduğu ile sonuçlandı.[1]

İyi bir giriş, Winston, Roland tarafından yayınlandı. "Büyütme Optikleri." Scientific American, cilt. 264, hayır. 3, 1991, s. 76–81. JSTOR, [2]

Görüntülemeyen optikler üzerine çalışan farklı ticari şirketler ve üniversiteler var. Şu anda bu konudaki en büyük araştırma grubu Avrupa'daki Gelişmiş Optik grubudur. CeDInt, bir bölümü Madrid Teknik Üniversitesi (UPM).[kaynak belirtilmeli ]

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ a b c d e f g h ben Chaves, Julio (2015). Görüntülemeyen Optiğe Giriş, İkinci Baskı. CRC Basın. ISBN  978-1482206739.
  2. ^ a b c d Roland Winston ve diğerleri, Görüntülemeyen Optikler, Academic Press, 2004 ISBN  978-0-12-759751-5
  3. ^ R. John Koshel (Editör), Aydınlatma Mühendisliği: Görüntülemeyen Optiklerle Tasarım, Wiley, 2013 ISBN  978-0-470-91140-2
  4. ^ William J. Cassarly, Görüntülemeyen optikler kullanarak ışığı evcilleştirme, SPIE Proceedings Cilt. 5185, Görüntülemeyen Optikler: Maksimum Verimli Işık Transferi VII, s. 1-5, 2004
  5. ^ Norton Brian (2013). Güneş Isısından Yararlanma. Springer. ISBN  978-94-007-7275-5.
  6. ^ [1] Arşivlendi 22 Aralık 2006, Wayback Makinesi
  7. ^ Pablo Benítez ve Juan C. Miñano, Ultra yüksek sayısal açıklık görüntüleme yoğunlaştırıcı, J. Opt. Soc. Am. A, Cilt. 14, No. 8, 1997
  8. ^ W.T. Welford ve Roland Winston, Görüntülemeyen Konsantratörlerin Optiği: Işık ve Güneş Enerjisi, Academic Press, 1978 ISBN  978-0-12-745350-7
  9. ^ Ralf Leutz ve Akio Suzuki, Görüntülemeyen Fresnel Lensler: Güneş Konsantratörlerinin Tasarımı ve Performansı, Springer, 2001 ISBN  978-3-642-07531-5
  10. ^ Joseph J. O'Gallagher, Güneş Enerjisinde Görüntülemeyen Optikler, Morgan ve Claypool Yayıncıları, 2008 ISBN  978-1-59829-330-2
  11. ^ William Cassarly, Görüntülemeyen Optikler: Konsantrasyon ve Aydınlatma Michael Bass'de, Optik el kitabı, Üçüncü baskı, Cilt. II, Bölüm 39, McGraw Hill (Optical Society of America sponsorluğunda), 2010 ISBN  978-0-07-149890-6
  12. ^ Görüntülemeyen optikler kullanılarak güneş ışığının güneş yüzeyi seviyelerine yoğunlaştırılması Doğa
  13. ^ Katı hal aydınlatması, optimum performans için özel optik tasarım gerektirir SPIE
  14. ^ Pablo Benítez ve diğerleri, Üç boyutta eşzamanlı çoklu yüzey optik tasarım yöntemi, Optical Engineering, Temmuz 2004, Cilt 43, Sayı 7, s. 1489–1502
  15. ^ Juan C. Miñano ve diğerleri, SMS yönteminin kompakt optik tasarımına uygulamaları, SPIE Bildirileri, Cilt 7717, 2010
  16. ^ Schulz, G., Asferik yüzeylerIn Progress in Optics (Wolf, E., ed.), Cilt. XXV, Kuzey Hollanda, Amsterdam, s. 351, 1988
  17. ^ Schulz, G., Tek bir asferik lens ile bir noktanın akromatik ve keskin gerçek görüntüsü, Appl. Seçenek, 22, 3242, 1983
  18. ^ Juan C. Miñano vd. al, Serbest biçimli entegratör dizi optikleri, Görüntülemesiz Optik ve Verimli Aydınlatma Sistemleri II, Proc. SPIE 5942, 2005
  19. ^ Pablo Benítez ve diğerleri, Yüksek performanslı Fresnel tabanlı fotovoltaik yoğunlaştırıcı, Optics Express, Cilt. 18, Sayı S1, s. A25-A40, 2010
  20. ^ Martin Green, Güneş Pilleri: Çalışma Prensipleri, Teknoloji ve Sistem Uygulamaları, Prentice Hall, 1981 s. 205–206 ISBN  978-0-13-822270-3
  21. ^ V. K. Baranov, Parabolico-thorik foconların özellikleri, Opt.-Mekh. Balo., 6, 1, 1965 (Rusça)
  22. ^ V. K. Baranov, Geliotekhnika, 2, 11, 1966 (İngilizce çevirisi: V. K. Baranov, Güneş enerjisi yoğunlaştırıcılarının unsurları olarak parabolotoroidal aynalar, Appl. Sol. Enerji, 2, 9, 1966)
  23. ^ M. Ploke, Lichtführungseinrichtungen mit starker Konzentrationswirkung, Optik, 25, 31, 1967 (Başlığın İngilizce çevirisi: Güçlü konsantrasyon eylemine sahip ışık yönlendirici bir cihaz)
  24. ^ H. Hinterberger ve R. Winston, Eşik Čerenkov sayaçları için verimli ışık bağlayıcı, Review of Scientific Instruments, Cilt. 37, s.1094–1095, 1966
  25. ^ R. Winston, Yeni bir tasarımın güneş yoğunlaştırıcılarının ilkeleri, Güneş Enerjisi, Cilt 16, Sayı 2, s. 89–95,1974

Dış bağlantılar