非成像光学

非成像光学是与光源和目标之间的光辐射的最佳传输有关的光学器件的一个分支。与传统的成像光学器件不同，所涉及的技术不会尝试形成光源的图像；相反，需要用于从源到目标的最佳辐射传递的优化光学系统。

非成像光学系统比成像光学系统解决的两个设计问题是：

• 太阳能集中度：最大化施加到接收器（通常是太阳能电池或热接收器）的能量
• 照明：控制光的分布，通常使它“均匀”散布在某些区域并完全与其他区域隔离

在目标处要优化的典型变量包括总辐射通量，光辐射的角度分布和光辐射的空间分布。通常必须优化光学系统目标侧的这些变量，同时考虑源头光学系统的收集效率。

对于给定的浓度，非成像光学器件提供了可能的最宽接收角，因此，最适合用于太阳能聚光（例如在聚光光伏中）。与“传统”成像光学器件（例如抛物面反射镜或菲涅耳透镜）相比，非成像光学器件用于聚光太阳能的主要优点是：

• 较宽的接收角度导致更高的公差（因此效率更高），适用于：
  • 不太精确的跟踪
  • 光学器件制造不完善
  • 组装零件不完善
  • 系统因风而运动
  • 支撑结构的有限刚度
  • 老化引起的变形
  • 捕获太阳周辐射
  • 系统中的其他缺陷
• 较高的太阳集中度
  • 较小的太阳能电池（在集中式光伏电池中）
  • 更高的温度（在集中式太阳能中）
  • 较低的热损失（在集中式太阳能中）
  • 扩大集中太阳能的应用范围，例如太阳能激光器
• 接收器均匀照明的可能性
  • 提高太阳能电池的可靠性和效率（在集中式光伏中）
  • 改善热传递（在集中的太阳能中）
• 设计灵活性：可以针对不同的应用量身定制具有不同几何形状的各种光学元件

同样，对于低浓度，非成像光学器件非常宽的接收角度可以完全避免太阳跟踪或每年将其限制在几个位置。

与抛物面反射镜或菲涅耳透镜相比，非成像光学的主要缺点在于，对于高浓度，它们通常具有一个以上的光学表面，从而使效率稍微降低。但是，只有在光学元件完全对准太阳时才注意到这一点，由于实际系统的缺陷，通常情况并非如此。

非成像光学设备的示例包括光导，非成像反射器，非成像透镜或这些设备的组合。非成像光学的常见应用包括照明工程（照明）的许多领域。非成像光学设计的现代实现示例包括汽车前照灯，LCD背光源，照明的仪表板显示器，光纤照明设备，LED灯，投影显示系统和照明器。

与“传统”设计技术相比，非成像光学器件在照明方面具有以下优势：

• 更好地处理扩展资源
• 更紧凑的光学器件
• 混色功能
• 光源和光分布到不同地方的组合
• 非常适合与日渐流行的LED光源一起使用
• 容忍光源和光学元件的相对位置变化

使用太阳能的非成像照明光学器件的示例是辅助照明或太阳能管道。

现代便携式和可穿戴光学设备以及小尺寸和低重量的系统可能需要纳米技术。非成像超光学可以解决这个问题，非成像超光学使用了金属镜和超镜来处理光能的最佳传递。

使用最少的光电倍增管收集高能粒子碰撞产生的辐射。

非成像光学的一些设计方法也正在成像设备中找到应用，例如一些具有超高数值孔径的设计方法。

寻求封闭形式解决方案的非成像光学数学的早期学术研究首次以教科书形式在1978年出版。 2004年出版了一部现代教科书，阐述了该领域的研究和工程的深度和广度。 2008年出版了对该领域的详尽介绍。

非成像光学器件的特殊应用，例如菲涅耳透镜，可用于太阳聚光或通常用于太阳聚光，尽管O'Gallagher的最后参考文献描述了几十年前开发的大部分工作。其他出版物包括书籍章节。

成像光学器件可以将太阳光最多聚集到与太阳表面相同的光通量。非成像光学器件已被证明可以将太阳光聚集到环境光强度的84,000倍，超过太阳表面的通量，并达到将物体加热到太阳表面温度的理论极限（热力学第二定律）。

基于边缘射线原理，设计非成像光学器件的最简单方法称为“弦的方法” 。1990年代初开始开发了其他更先进的方法，与边缘射线方法相比，该方法可以更好地处理扩展光源。开发这些产品主要是为了解决与固态汽车前照灯和复杂照明系统有关的设计问题。这些高级设计方法之一是同时多曲面设计方法（SMS）。