Illumination Engineering: Design with Nonimaging Optics pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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☆☆☆☆☆

出版者:

作者:R. John Koshel

出品人:

页数:328

译者:

出版时间:2013-1-29

价格:$ 141.25

装帧:

isbn号码:9780470911402

丛书系列:

图书标签:

照明
照明工程
非成像光学
光学设计
照明设计
光线追迹
光学系统
LED照明
太阳能照明
光学建模
照明技术

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具体描述

This book brings together experts in the field who present material on a number of important and growing topics including lighting, displays, solar concentrators. The first chapter provides an overview of the field of nonimagin and illumination optics. Included in this chapter are terminology, units, definitions, and descriptions of the optical components used in illumination systems. The next two chapters provide material within the theoretical domain, including etendue, etendue squeezing, and the skew invariant. The remaining chapters focus on growing applications. This entire field of nonimaging optics is an evolving field, and the editor plans to update the technological progress every two to three years. The editor, John Koshel, is one of the most prominent leading experts in this field, and he is the right expert to perform the task.

光影交织的科学：探索光学设计的奥秘这是一本深入探究光线行为及其应用的书籍，它将带领读者踏上一段令人着迷的光学设计之旅。本书旨在揭示如何通过巧妙的几何光学原理，以及对光线传播特性的深刻理解，来创造出高效、创新的照明解决方案。我们将一同审视那些肉眼可见的光影背后所蕴含的科学法则，并学习如何将这些法则转化为实际的设计，以满足各种各样的应用需求。本书的核心在于“非成像光学”的概念。不同于传统的成像光学，例如照相机或望远镜，非成像光学并不关注形成清晰的图像，而是聚焦于如何精确地控制光线的方向、分布和强度。这意味着我们将重点研究如何将光源发出的光线，通过光学元件（如反射镜、透镜、漫射器等）进行引导、汇聚、扩散或塑形，从而实现特定的照明效果。本书将详细讲解这些光学元件的工作原理，以及它们在不同设计中的作用。在内容上，本书将涵盖一系列关键主题。首先，我们将从基础的光学定律入手，包括反射定律、折射定律以及斯涅尔定律，这些都是理解后续内容的基础。在此基础上，我们将深入探讨不同类型光学元件的设计和优化方法。例如，我们会分析抛物面反射镜和椭球反射镜在定向照明中的优势，探讨如何设计出能够将光线有效聚焦到特定区域的光学系统。我们还会研究如何利用菲涅尔透镜等特殊设计的透镜来减小光学系统的体积和重量，同时保持良好的光线控制能力。本书的一个重要侧重点是“光通量”和“照度”的计算与管理。我们将学习如何量化光源的发光强度，并理解光通量如何在空间中传播。通过对光学系统进行详细的光线追迹分析，我们将能够预测和计算出特定区域的照度，从而为照明设计提供定量依据。这对于确保照明效果的均匀性、满足特定场所的功能性要求（如阅读、工作、展示等）至关重要。本书还将深入讨论一些高级的光学设计技术。例如，我们将探讨如何利用朗伯余弦定律来理解和控制漫射表面的光线辐射特性。我们会分析如何设计出能够最大化光源效率的光学系统，减少不必要的能量损失。此外，对于一些特殊应用，如LED照明、太阳能集热、以及生物医学照明等，本书也将提供相关的设计思路和案例分析。我们将看到，如何通过精心的光学设计，将LED光源的光线塑造成所需的形状，以实现均匀的显示效果，或者如何设计高效的集热器，将太阳光汇聚到更小的区域以提高能量密度。在实际应用方面，本书的内容将触及广泛的领域。从我们日常生活中无处不在的照明灯具，到工业生产中的精密光学仪器，再到前沿的科学研究设备，光学设计都扮演着至关重要的角色。例如，在城市照明设计中，我们会考虑如何通过合理的光源和光学元件布局，减少光污染，同时提高道路的安全性和舒适度。在博物馆和艺术品的照明设计中，我们将学习如何选择合适的光源和光学系统，以突出展品的细节和色彩，同时避免对展品造成损伤。在交通信号灯的设计中，我们将关注如何确保信号灯在各种天气条件和视角下都能清晰可见。本书的写作风格将力求清晰、严谨且易于理解。虽然涉及复杂的科学原理，但我们将通过大量的图示、表格和实例来辅助说明，使得读者能够直观地理解抽象的概念。我们将避免使用过于生僻的术语，并尽可能地将理论知识与实际应用联系起来。本书适合那些对光学设计感兴趣的工程师、设计师、学生以及相关领域的专业人士。无论您是希望提升现有照明系统的性能，还是在探索全新的光学应用，本书都将为您提供宝贵的知识和启示。通过阅读本书，您将能够掌握一套系统性的光学设计方法论，并能够自信地运用所学知识来解决实际的光学工程问题。您将不再仅仅是光学元件的使用者，而是能够成为光影的创造者，用科学的智慧去塑造和控制光，从而点亮我们的世界，并推动技术创新的边界。

作者简介

John Koshel (Tucson, AZ), obtained Ph.D in Optics from University of Rochester in 1996. He is currently an adjunct assistant professor at University of Arizona, Optical Sciences Center. He also works as a vice president of optical engineering consulting firm, Photon Engineering, LLC. He frequently chairs at SPIE conferences and provides tutorial on the subject (nonimaging optics). He is a well respected figure in the International optical engineering community publishing numerous peer reviewed papers.

目录信息

PREFACE xiii
CONTRIBUTORS xvii
GLOSSARY xix
CHAPTER 1 INTRODUCTION AND TERMINOLOGY 1
1.1 What Is Illumination? 1
1.2 A Brief History of Illumination Optics 2
1.3 Units 4
1.3.1 Radiometric Quantities 4
1.3.2 Photometric Quantities 6
1.4 Intensity 9
1.5 Illuminance and Irradiance 10
1.6 Luminance and Radiance 11
1.6.1 Lambertian 13
1.6.2 Isotropic 14
1.7 Important Factors in Illumination Design 15
1.7.1 Transfer Effi ciency 15
1.7.2 Uniformity of Illumination Distribution 16
1.8 Standard Optics Used in Illumination Engineering 17
1.8.1 Refractive Optics 18
1.8.2 Refl ective Optics 20
1.8.3 TIR Optics 22
1.8.4 Scattering Optics 24
1.8.5 Hybrid Optics 24
1.9 The Process of Illumination System Design 25
1.10 Is Illumination Engineering Hard? 28
1.11 Format for Succeeding Chapters 29
References 30
CHAPTER 2 ÉTENDUE 31
2.1 Étendue 32
2.2 Conservation of Étendue 33
2.2.1 Proof of Conservation of Radiance and Étendue 34
2.2.2 Proof of Conservation of Generalized Étendue 36
2.2.3 Conservation of Étendue from the Laws of Thermodynamics 40
2.3 Other Expressions for Étendue 41
2.3.1 Radiance, Luminance, and Brightness 41
2.3.2 Throughput 42
2.3.3 Extent 43
2.3.4 Lagrange Invariant 43
2.3.5 Abbe Sine Condition 43
2.3.6 Confi guration or Shape Factor 44
2.4 Design Examples Using Étendue 45
2.4.1 Lambertian, Spatially Uniform Disk Emitter 45
2.4.2 Isotropic, Spatially Uniform Disk Emitter 48
2.4.3 Isotropic, Spatially Nonuniform Disk Emitter 50
2.4.4 Tubular Emitter 52
2.5 Concentration Ratio 59
2.6 Rotational Skew Invariant 61
2.6.1 Proof of Skew Invariance 61
2.6.2 Refi ned Tubular Emitter Example 63
2.7 Étendue Discussion 67
References 68
CHAPTER 3 SQUEEZING THE ÉTENDUE 71
3.1 Introduction 71
3.2 Étendue Squeezers versus Étendue Rotators 71
3.2.1 Étendue Rotating Mappings 74
3.2.2 Étendue Squeezing Mappings 77
3.3 Introductory Example of Étendue Squeezer 79
3.3.1 Increasing the Number of Lenticular Elements 80
3.4 Canonical Étendue-Squeezing with Afocal Lenslet Arrays 82
3.4.1 Squeezing a Collimated Beam 82
3.4.2 Other Afocal Designs 83
3.4.3 Étendue-Squeezing Lenslet Arrays with Other Squeeze-Factors 85
3.5 Application to a Two Freeform Mirror Condenser 88
3.6 Étendue Squeezing in Optical Manifolds 95
3.7 Conclusions 95
Appendix 3.A Galilean Afocal System 96
Appendix 3.B Keplerian Afocal System 98
References 99
CHAPTER 4 SMS 3D DESIGN METHOD 101
4.1 Introduction 101
4.2 State of the Art of Freeform Optical Design Methods 101
4.3. SMS 3D Statement of the Optical Problem 103
4.4 SMS Chains 104
4.4.1 SMS Chain Generation 105
4.4.2 Conditions 106
4.5 SMS Surfaces 106
4.5.1 SMS Ribs 107
4.5.2 SMS Skinning 108
4.5.3 Choosing the Seed Rib 109
4.6 Design Examples 109
4.6.1 SMS Design with a Prescribed Seed Rib 110
4.6.2 SMS Design with an SMS Spine as Seed Rib 111
4.6.3 Design of a Lens (RR) with Thin Edge 115
4.6.4 Design of an XX Condenser for a Cylindrical Source 117
4.6.5 Freeform XR for Photovoltaics Applications 129
4.7 Conclusions 140
References 144
CHAPTER 5 SOLAR CONCENTRATORS 147
5.1 Concentrated Solar Radiation 147
5.2 Acceptance Angle 148
5.3 Imaging and Nonimaging Concentrators 156
5.4 Limit Case of Infi nitesimal Étendue: Aplanatic Optics 164
5.5 3D Miñano–Benitez Design Method Applied to High Solar Concentration 171
5.6 Köhler Integration in One Direction 180
5.7 Köhler Integration in Two Directions 195
5.8 Appendix 5.A Acceptance Angle of Square Concentrators 201
5.9 Appendix 5.B Polychromatic Effi ciency 204
Acknowledgments 207
References 207
CHAPTER 6 LIGHTPIPE DESIGN 209
6.1 Background and Terminology 209
6.1.1 What is a Lightpipe 209
6.1.2 Lightpipe History 210
6.2 Lightpipe System Elements 211
6.2.1 Source/Coupling 211
6.2.2 Distribution/Transport 211
6.2.3 Delivery/Output 212
6.3 Lightpipe Ray Tracing 212
6.3.1 TIR 212
6.3.2 Ray Propagation 212
6.4 Charting 213
6.5 Bends 214
6.5.1 Bent Lightpipe: Circular Bend 214
6.5.2 Bend Index for No Leakage 215
6.5.3 Refl ection at the Output Face 216
6.5.4 Refl ected Flux for a Specifi c Bend 217
6.5.5 Loss Because of an Increase in NA 218
6.5.6 Other Bends 219
6.6 Mixing Rods 220
6.6.1 Overview 220
6.6.2 Why Some Shapes Provide Uniformity 221
6.6.3 Design Factors Infl uencing Uniformity 223
6.6.4 RGB LEDs 226
6.6.5 Tapered Mixers 228
6.7 Backlights 233
6.7.1 Introduction 233
6.7.2 Backlight Overview 234
6.7.3 Optimization 235
6.7.4 Parameterization 235
6.7.4.1 Vary Number 236
6.7.4.2 Vary Size 236
6.7.5 Peak Density 237
6.7.6 Merit Function 237
6.7.7 Algorithm 238
6.7.8 Examples 239
6.8 Nonuniform Lightpipe Shapes 245
6.9 Rod Luminaire 246
Acknowledgments 247
References 247
CHAPTER 7 SAMPLING, OPTIMIZATION, AND TOLERANCING 251
7.1 Introduction 251
7.2 Design Tricks 253
7.2.1 Monte Carlo Processes 254
7.2.2 Reverse Ray Tracing 257
7.2.3 Importance Sampling 260
7.2.4 Far-Field Irradiance 263
7.3 Ray Sampling Theory 266
7.3.1 Transfer Effi ciency Determination 266
7.3.2 Distribution Determination: Rose Model 268
7.4 Optimization 272
7.4.1 Geometrical Complexity 273
7.4.2 Merit Function Designation and Calculation 280
7.4.3 Optimization Methods 281
7.4.4 Fractional Optimization with Example: LED Collimator 282
7.5 Tolerancing 289
7.5.1 Types of Errors 290
7.5.2 System Error Sensitivity Analysis: LED Die Position Offset 290
7.5.3 Process Error Case Study: Injection Molding 291
References 297
INDEX 299
· · · · · · (收起)

读后感

评分☆☆☆☆☆

用户评价

评分☆☆☆☆☆

这本书的内容深度显然是为那些已经在光学领域工作多年、寻求突破现有设计瓶颈的专业人士准备的。它没有花太多篇幅在介绍基础的光学定律，这一点从目录结构就能看出来。更多的是集中在那些“难以言说”的设计难题上——比如如何处理复杂曲面上的光能分布，以及如何量化和优化那些难以用传统指标衡量的性能参数。我注意到书中对于一些高级的优化算法和迭代方法的描述非常详尽，这对于想用计算模拟来推动设计的工程师来说，简直是如获至宝。我尝试着将书中的某个案例应用于我目前正在进行的项目，发现书中提出的迭代方法比我过去习惯使用的梯度下降法要高效得多，尤其是在约束条件较多的情况下。这本书的价值不在于教你“是什么”，而在于告诉你“怎么做到最好”。它不提供现成的“罐头”方案，而是提供一套严谨的、可复制的思维框架，让你学会如何自己去挖掘最优解。每一次阅读，都像是一次与顶尖设计思想的深度对话，总能从中提炼出一些能立刻应用到工作中的“金点子”。

评分☆☆☆☆☆

这本书的语言风格，坦白说，是偏向于学术研究和严谨工程报告的混合体。它极少使用比喻或生动的例子来辅助理解抽象概念，而是倾向于用精确的术语和清晰的逻辑链条来构建知识体系。这使得它在作为工具书的实用性上表现出色，但在作为入门读物时，可能会让初学者感到有些生硬和枯燥。我印象特别深刻的是关于杂散光控制的那一章，作者没有使用传统的“减少反光”之类的笼统说法，而是详细分析了不同几何结构下产生的次级散射路径，并给出了针对性的光学元件布局策略。这种对细节的执着和对物理过程的深层剖析，是这本书最令人敬佩的地方。我不得不承认，在某些段落，我需要反复阅读几遍，甚至对照其他参考资料才能完全消化其中的深意。这本书的排版也很有特点，大量的图表和公式穿插得恰到好处，虽然密度很高，但布局得当，避免了阅读时的疲劳感。它要求读者拿出足够的耐心和专注力，方能解锁其中蕴含的宝贵知识。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计和装帧给我的第一印象非常专业，那种沉稳的深蓝底色配上清晰的白色字体，立刻就让人感觉它不是那种随随便便的科普读物，而是真正深入技术内核的专业手册。我原本是带着对光学设计领域的一些基础了解来翻阅的，希望能找到一些关于如何将理论知识转化为实际应用场景的指导。然而，当我翻开前几章时，我发现作者的叙述逻辑非常严谨，从最基础的光线追迹原理讲起，逐步过渡到复杂的光学系统建模。对于那些习惯了快速浏览或者只追求表面概念的读者来说，这本书的阅读门槛可能稍高，因为它要求读者具备一定的数学和物理基础才能真正跟上作者的思路。特别是关于几何光学和物理光学的交汇点处理，作者给出了非常细致的数学推导，让人不得不放慢速度，细细品味每一个公式的含义。我尤其欣赏作者在引入新概念时，总会先回顾相关的经典理论，形成一个连贯的知识体系，而不是突兀地抛出复杂的方程组。这使得即使在处理高难度章节时，我也能感觉到自己是站在坚实的基础之上，而非迷失在公式的海洋里。这本书的厚度和内容的密度，让我明白这不是一本可以一蹴而就读完的书，它更像是一位经验丰富的工程师放在手边的参考书，随时准备提供解决实际问题的关键思路。

评分☆☆☆☆☆

这本书的结构安排，显然是经过深思熟虑的，它遵循的是从宏观到微观，再到系统集成的完整路径。如果说前几部分是为构建光学元件打下坚实的理论和计算基础，那么后半部分则开始探讨如何将这些元件组合成一个具有特定功能的完整系统。我注意到作者在讨论不同类型光学系统的章节中，始终强调一种“整体观”，即任何一个子系统的优化都不能以牺牲整体性能为代价。例如，在讨论复杂照明系统时，作者详细阐述了光源选择、配光设计和热管理这三个看似独立的环节是如何相互制约、相互影响的。这种强调系统思维而非组件思维的叙述方式，对于目前许多跨学科合作的项目来说至关重要。它提供了一种高级别的设计蓝图，使得不同专业背景的设计师都能在同一套方法论下进行有效沟通和协作。这本书的价值，最终体现在它提供给读者的不仅仅是知识点，而是一套完整、成熟、可应用于复杂工程项目的思维框架和实施路径。

评分☆☆☆☆☆

从一个资深从业者的角度来看，这本书最引人注目的地方在于它对系统集成和实际制造公差的考量。很多光学设计书籍往往止步于理想模型，但在实际工程中，材料缺陷、装配误差都会对最终性能产生决定性影响。这本书则将这些“非理想因素”纳入了设计流程的早期阶段进行分析和补偿。我特别关注了关于公差分析的部分，作者提出的基于蒙特卡洛模拟的系统误差评估方法，非常贴合当前先进制造工艺的要求。它不仅仅是一个数学模型，更是一种风险管理策略的体现。书中对如何通过结构设计来“容忍”制造误差，而不是一味地追求极致的初始精度，给出了非常务实的指导。这体现了作者深厚的工程实践经验，知道理论上的完美与现实中的可行性之间，存在着一条必须被精细平衡的鸿沟。阅读这部分内容，让我对自己的设计流程进行了一次彻底的反思和优化，尤其是在定义关键性能指标（KPIs）时，我开始更多地从系统可制造性的角度去审视它们。

评分☆☆☆☆☆