非成像光学导论（第二版）

对于那些想要提高非成像光学设计理论和技术水平的人来说，这是一本重要的书。它非常全面，组织严密，深入浅出，书中有许多详细的例子，这使学习非成像光学变得容易。本书非常适合该领域的初学者以及已经在非成像光学领域工作的人。

 

非成像光学是一门新兴但极有潜力的技术，主要用于设计*优化的太阳能集中器和照明光学中的的固态照明应用。本书提供了该领域中的一手研究资源和理论信息。全书分为两个主要部分，第一部分主要讲解了非成像光学的主要概念和设计方法；第二部分总结了光线、波前、反/折射等基本概念，作者试图将非成像同其他广泛的领域联系起来。

Julio Chaves，埃武拉大学教授，博士生导师，Light Prescriptions Innovators（LPI） 公司（世界知名的太阳能及非成像光学公司）资深工程师。《照明工程：非成像光学设计》一书的主要作者之一。

第1章为什么使用非成像光学/1

1.1面积与角度/1

1.2准直器:大面积接收器的照明/4

1.3集中器:小面积接收器的照明/10

1.4准直器及集中器的小结/14

1.5准直器的误差/16

1.6集中器的误差/19

1.7不均匀光源/22

1.8太阳能集中器/27

1.9光通量/32

1.10波前与同时多曲面/36

参考文献/40

第2章基本概念/42

2.1简介/42

2.2成像光学与非成像光学/42

2.3复合抛物面集中器/46

2.4最大集中率/54

2.5例子/58

参考文献/60

第3章二维集中器的设计/61

3.1简介/61

3.2光源距离为有限时的集中器设计/61

3.3绳子方法/65

3.4介质光学组件/71

3.5非对称光学/72

3.6例子/76

参考文献/85

第4章光学扩展量及WinstonWelford设计方法/87

4.1简介/87

4.2光学扩展量守恒/89

4.3非理想光学系统/93

4.4光学扩展量作为一个几何量/95

4.5二维系统/97

4.6光学扩展量作为光学动量的积分/98

4.7光学扩展量作为相空间里的一个体积/102

4.8光学扩展量作为光程差/104

4.9流线/107

4.10WinstonWelford设计方法/110

4.11焦散型流线/119

4.12最大聚光比/122

4.13光学扩展量与形状因子/126

4.14例子/128

参考文献/132

第5章矢通量/134

5.1简介/134

5.2矢通量的定义/137

5.3矢通量作为边缘光线的平分线/140

5.4矢通量与光学扩展量/141

5.5圆盘形朗伯光源的矢通量/144

5.6用矢通量设计集中器/147

5.7例子/149

参考文献/151

第6章主组件与流线次组件的结合/152

6.1简介/152

6.2修改接收器的形状/154

6.3复合椭圆集中器次组件/158

6.4截断喇叭形次组件/160

6.5大接收器的喇叭形次组件/163

6.6具有多个入光孔的次组件/164

6.7最大聚光比的截断喇叭形集中器/168

6.8低聚光比的截断喇叭形集中器/178

6.9菲涅耳主组件/180

6.10菲涅耳主组件的截断喇叭形集中器/184

6.11例子/192

参考文献/202

第7章阶梯形流线非成像光学组件/205

7.1简介/205

7.2紧凑集中器/205

7.3具有间隙的集中器/212

7.4例子/218

参考文献/220

第8章灯具/221

8.1简介/221

8.2对应于大光源的平面镜灯具/222

8.3平面光源的一般解决方法/231

8.4平面光源的远缘发散灯具/234

8.5平面光源的远缘会聚灯具/237

8.6平面光源的近缘发散灯具/240

8.7平面光源的近缘会聚灯具/245

8.8圆形光源的灯具/246

8.9例子/259

8.10附录A:线性光源的镜面微分方程/268

8.11附录B:圆形光源的镜面微分方程/269

参考文献/271

第9章MinanoBenitez设计方法(同步多表面设计方法)/273

9.1简介/273

9.2RR光学组件/275

9.3薄边同步多表面器件/287

9.4XR、RX及XX光学组件/294

9.5一般波前的MinanoBenitez设计方法/303

9.6RXI光学组件:迭代计算/308

9.7RXI光学组件:直接计算/314

9.8同步多表面设计方法光程的调整/318

9.9三维同步多表面设计方法/320

9.10三维非对称同步多表面设计方法/331

9.11薄边三维同步多表面设计方法/336

9.12其他同步多表面光学组件/340

9.13例子/340

参考文献/354

第10章产生指定输出分布的波前/356

10.1简介/356

10.2产生指定光强度分布的波前/356

10.3产生指定光照度分布的波前/369

10.4光束耦合与指定光照度分布/379

参考文献/381

第11章微小光学扩展量光学组件/382

11.1简介/382

11.2微小光学扩展量光学组件/382

11.3连续光学表面/388

11.4菲涅耳光学组件/392

11.5在有限距离处的光源/396

11.6例子/402

参考文献/404

第12章科勒光学器件与混色/405

12.1简介/405

12.2科勒光学器件/405

12.3根据科勒光学器件设计的太阳能集中器/418

12.4产生指定光照度的科勒光学器件/427

12.5对科勒光学器件进行调色/432

12.6同步多表面设计科勒光学器件/436

12.7调色与槽形反射器/453

12.8例子/459

参考文献/461

第13章应用泊松括号的Minano设计方法/463

13.1简介/463

13.2不均匀介质二维集中器的设计/463

13.3边缘光线在相空间中形成的管状表面/467

13.4泊松括号/473

13.5曲线坐标系统/475

13.6二维集中器的设计/477

13.7理想二维集中器的例子/479

13.8三维集中器的设计/486

13.9理想三维集中器的例子/490

参考文献/494

第14章拉格朗日和哈密顿几何光学/495

14.1费马原理/495

14.2一般情形的拉格朗日量和哈密顿量/501

14.3几何光学的拉格朗日量和哈密顿量/504

14.4哈密顿量的另一种形式/507

14.5哈密顿方程的坐标系变换/511

14.6积分不变量/515

14.7规范转换的系统运动/522

参考文献/524

第15章光线和波前/526

15.1光学动量/526

15.2光程函数方程/531

15.3光线方程/531

15.4两个波前之间的光学路径长度/534

参考文献/537

第16章反射和折射/538

16.1光线的反射和折射/538

16.2反射定律和折射定律/544

参考文献/547

第17章对称性/548

17.1动量守恒和表观折射率/548

17.2线性对称/551

17.3环形对称和斜率不变/553

参考文献/561

第18章相空间作用域/562

18.1作用域和点特征函数/562

18.2哈密顿光学中的é光学扩展量/566

18.3积分不变量和é光学扩展量/568

18.4折射、反射和二维光学扩展量/569

18.5二维光学扩展量举例/571

参考文献/578

第19章经典力学和几何光学/580

19.1作用域和点特征函数/580

19.2扭曲不变量和角动量守恒/584

19.3力学中的势能和光学中的折射率/584

参考文献/585

第20章辐射度量学测定、光度学、辐射热转换/586

20.1定义/586

20.2均匀介质中的辐亮度守恒/589

20.3反射和折射中的辐亮度守恒/591

20.4光学扩展量和形状因子/594

20.5二维系统/597

20.6平面照明/598

参考文献/601

第21章平面曲线/602

21.1概论/602

21.2抛物线/607

21.3椭圆/609

21.4双曲线/610

21.5圆锥曲线/612

21.6渐开线/613

21.7绕组宏聚焦抛物线/614

21.8非绕组宏聚焦抛物线/617

21.9绕组宏聚焦椭圆 /619

21.10非绕组宏聚焦椭圆 /622

21.11平行射线笛卡儿椭圆/623

21.12会聚或发散射线笛卡儿椭圆 /625

21.13逐点法计算笛卡儿椭圆/632

21.14等角螺线/634

21.15函数定义/636

参考文献/642 

在过去几年中，已经开发了一些重要的非成像光学设备。《非成像光学导论(第二版)》反映了这些发展。太阳能聚光和 LED 照明都受益于这些后期发展。特别是K？hler照明与非成像光学方法相结合，产生了解决这些领域中一些具有挑战性的新光学。 该书第二版在四个新章节中包含了大约４５％的新材料，并对第一版的章节进行了补充。与第一版一样，它假设以前没有非成像光学知识，现在涵盖了更广泛的主题。一些章节包含对使用非成像设备的设计方法或原因的直观描述，而其他章节则深入研究理论基础或更高级光学的描述。 第二版第１章包含对非成像光学优势的直观描述。它假定没有该领域的先前知识，并列出了其使用的一些基本概念和理由。 第９章扩展到包括３D 自由曲面光学。这些更复杂的设计具有更大的自由度，这使得它们可以用于更具挑战性的情况。出于这个原因，３D自由曲面光学是光学设计的一个新的重要趋势。 第１０章描述了一些用于产生输出波前的方法，用于指定输出(强度或辐照度)的光学设计,一个光学设计中非常常见的问题。然后将这些波前与非成像配置相结合以获得光学器件。给出了一些说明性示例，但相同的方法可以应用于其他情况。 第１１章描述了穿过光学器件的辐射的扩展量变为零(变得无穷小)的极限情况。尽管与 SMS光学器件(在第９章中描述)相比受到更多限制，但这些无穷小étendue光学器件更易于设计。由于直射阳光的角孔径非常小，这些类型的光学主要应用于太阳能的高度集中。 第１２章描述了与非成像方法相结合的科勒光学。这是一个具有多种用途的强大组合。一个日益重要的主要应用是 LED 颜色混合。上市的新灯试图在紧凑而高效的设备中将可调发射光谱与规定的输出模式相结合。科勒光学单独使用或与其他非成像光学设备结合使用是在这一新趋势中具有良好潜力的有力竞争者。 结合使用SMS规定的强度波前和 K？hler配置时，构成了强大的设计工具，可以解决具有挑战性的照明设计问题。 本书的第二部分包括关于积分不变量及其在非成像光学中的应用的新材料。第１４章描述了一些理论方面，这些方面在经典力学或分析动力学等其他领域中很常见。第１８章将这些概念应用于 光 学,特 别 是 étendue２D,它 是 非 成 像 光 学 中 使 用 的 不 变 量 之 一。１８．４节还推导出了étendue２D的表达式，但从几何的角度来看，不必依赖哈密顿理论。第１８章的其余部分提供了应用示例。