傳統(tǒng)幾何光學(xué)是以提高光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量為研究宗旨的學(xué)科，它所追求的是如何在焦平面上獲得完美的圖象。就傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚光的性能而言，任何利用成像原理聚光的系統(tǒng)都遠(yuǎn)未達(dá)到理論上的聚光能力。因此，對(duì)于各種純聚光要求的應(yīng)用來說，如太陽能領(lǐng)域和高能物理領(lǐng)域，只有放棄成像要求才有可能獲得理想的結(jié)果。正由于此，近二十年來很多學(xué)者致力于非成像聚能器的研究，并由此形成了一門新興的技術(shù)科學(xué)—非成像光學(xué)，本文就其理論、應(yīng)用及發(fā)展前景作一討論。

1. 非成像光學(xué)的基本理論

因?yàn)榉浅上窬勰芷髟O(shè)計(jì)的最終要求是在單位面積上獲得最大強(qiáng)度的光，所以非成像聚能器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)光學(xué)“漏斗”，它要求大面積上的入射光被反射后能通過一塊小得多的面積而達(dá)到聚能的目的。因此非成像光學(xué)所關(guān)注的是能量的“集中度”（入射光束面積與出射光束面積的比值）而不顧及成像質(zhì)量。日前，卜成像聚能器的設(shè)計(jì)理論有兩種，一是基于邊緣光線原理，由此而產(chǎn)生的設(shè)計(jì)方法為邊緣一射線法另一種則為基于光線力學(xué)中的光線劉維定理，由此產(chǎn)生的方法為幾何矢量流法。

1.1 邊緣一射線法

考慮到通常光是在從零度到某一角度的范圍內(nèi)進(jìn)入聚能器，當(dāng)最大角度給定以后，此法的設(shè)計(jì)原則是使所有以最大角度射入該裝置的光線在最多經(jīng)過一次反射后即被引導(dǎo)到出射日邊緣如圖所示，此時(shí)以中間角度入射的光線則應(yīng)被反射到出射們勺、在此原則下應(yīng)用傳統(tǒng)兒何光學(xué)的定律可輕易地伏得咬俐而（聚能器壁）形狀的最佳設(shè)計(jì)。為了直觀撇林上仲方法，可想像使一根弦線的一端沿一根桿（表征最大入射角）移動(dòng)，而另一端則固定于出射口邊緣（以A點(diǎn)表征)上。在弦線沿桿移動(dòng)的每一階段都使弦繃緊并與入射光線平行，這樣只有弦線在中間某一點(diǎn)突然彎曲才能做到。弦線突然彎曲的點(diǎn)之集合則給出聚能器壁的位置。這種設(shè)計(jì)理論簡(jiǎn)單直觀，由此確定的聚能器為復(fù)合拋物面型，由此制成的二維槽形聚能器八十年代已作為太陽能收集器得到廣泛應(yīng)用。

圖1. 邊緣射線法示意圖

1.2 幾何矢量流法

幾何矢量流法的理論基礎(chǔ)是近年來發(fā)展起來的光線力學(xué)，它與邊緣一射線法兒乎沒有任何相似之處。按照光線力學(xué)，當(dāng)假定光的傳播方向?yàn)橹苯亲鴺?biāo)系的Z軸方向時(shí)，光線的力學(xué)狀態(tài)可用位置(x，y)和動(dòng)量(以斜率表征)Px、Py來描述，山此可建立起描述光線力學(xué)狀態(tài)的四維相空間。象質(zhì)點(diǎn)力學(xué)一樣，在光線的相空間中，一條光線的力學(xué)狀態(tài)可用一個(gè)點(diǎn)來表示，而相空間中各個(gè)代表點(diǎn)則給出光束中各條光線的位置和斜率的信息。據(jù)此Marcuse D·建立了四維相空間的光線劉維定理來描述光線的集體行為。其基本思路是對(duì)據(jù)肴實(shí)際空間的一定范圍并沿傳播方向有一定發(fā)散的一束光來說，如果光線的空間位置和斜率局限于某一范圍內(nèi)，則其在相空間中的代表點(diǎn)便充滿一個(gè)有限體積當(dāng)光束通過光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，光束原先所點(diǎn)據(jù)的體積改變其形狀在相空間中移動(dòng)，考察此運(yùn)動(dòng)規(guī)律則可代替對(duì)于光束傳播之研究。四維相空間的劉維定理指出相空間中諸光線代表點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的相體積，在傳播方向上是守恒的，既使其形狀變化時(shí)也是如此。

四維相空間的劉維定理之應(yīng)用只限于在光傳，播方向固定的成像光學(xué)中使用，為了非成像光學(xué)的需要，等人又將光線劉維定理推廣到了光線的六維相空間，建立了六維相空間劉維定理，在六維情況下，將光線的集合視為一種穿越相空間的矢量流，此矢童流之傳播所對(duì)應(yīng)的積分為龐卡萊積分不變量。矢量流守恒這一原則是非成像光學(xué)中設(shè)計(jì)聚能器的理論基礎(chǔ)，已獲得很多成功應(yīng)用。

2. 非成像光學(xué)的應(yīng)用

2.1 太陽能工程

非成像光學(xué)的迅速發(fā)展是由于人們迫切希望設(shè)計(jì)出不必跟蹤太陽的太陽能收集裝置。在七千年代石油危機(jī)的沖擊下，太陽能成為一種有吸引力的替代能源，如何通過降低跟蹤要求來提高太陽能收集裝置的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)際上是非成像光學(xué)迅速發(fā)展原因之一。目前，高效能的太陽光聚能器的研制已成為發(fā)達(dá)國(guó)家太陽能工程的重要課題。