本文將介紹照明系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，特別是照明系統(tǒng)的背景和一些理論。本文是照明學習路徑的基礎(chǔ)內(nèi)容，其中沒有冗長的理論方程式推導，而是對基本原理的討論，比如“怎樣才能做出好的照明設(shè)計？”

本文提供照明設(shè)計背后實用的概念，幫助您建立滿足設(shè)計需求的系統(tǒng)。

簡介

本文是照明系統(tǒng)基礎(chǔ)學習路徑的重要內(nèi)容，介紹了我們在照明設(shè)計開始前所需要了解的基本概念。我們探討了照明設(shè)計中實用的概念，如計量單位、系統(tǒng)的能量和能量守恒(étendue).

本文的寫作目的

本文并不是對可用于照明設(shè)計中的各種光學理論的引申，而是提出設(shè)計師在進行照明設(shè)計時應注意的根本理論和概念。

本文沒有提供公式的完整推導。

照明設(shè)計的一些理論背景與概念

非成像光學，或非序列光線追跡通常用于照明設(shè)計。大多數(shù)照明設(shè)計需要不同于成像光學的思維過程。

照明并不像成像光學一樣建立在數(shù)學公式的基礎(chǔ)上。傳統(tǒng)光學長期以來一直以成像光學為基礎(chǔ)，我們在成像光學中追跡的光線數(shù)目遠遠少于能夠代表物理世界的光線。雖然追跡光線的數(shù)目少于系統(tǒng)中全部光線的數(shù)目，但我們可以用這些光線來計算如焦距等一階光學量以及如賽德爾像差等三階光學量。由于這些光學特性需要大量的數(shù)學計算，因此不需要追跡所有的光線，只需要追跡全部物理光線的一個子集。

非成像光學是光學的一個子集，與傳統(tǒng)成像光學的不同之處就是非成像光學不形成一個物體的像。非成像光學的主要目標是實現(xiàn)光源和照明目標之間的光能傳遞，將光能最優(yōu)地傳遞到照明目標上，并得到期望的光能分布。

我們現(xiàn)有的計算能力可以追跡數(shù)百萬條（有時接近10億條）光線，并使光線充滿照明目標，從而獲得與照明表面非常接近的效果。請注意，前面的內(nèi)容沒有提到任何公式化的計算，這是一種粗略近似的方法。與其說它是一種推導或計算，不如說它是一種模擬。大多數(shù)情況下，照明設(shè)計不是基于算法，而是基于直覺和啟發(fā)式結(jié)果。

如上所述，照明設(shè)計的主要目標是將光源最優(yōu)地傳遞到照明目標上，并得到期望的分布。常見的光學設(shè)計特性，如顏色、成本和易于制造也是設(shè)計目標。很難將后一種需求量化為評價函數(shù)。與“焦距= 50mm”相比，期望的光能分布和總量或傳遞效率很難量化為評價函數(shù)。例如，焦距（或 MTF、光斑半徑、畸變）為一個固定的數(shù)字，易于作為評價函數(shù)。照明目標表面的均勻性可以用幾種不同的方法來定義。

當然，完全均勻的表面是很容易定義的。然而，以下哪個是更加均勻照明的表面呢？a) 中心照度分布均勻但在角落有所下降的表面；b) 角落有更好的照度分布但在中間區(qū)域有環(huán)狀或波紋狀分布的表面？簡而言之，這完全取決于我們的目標性能。由于照明系統(tǒng)的多樣性，意味著一套設(shè)計方法和步驟很難涵蓋照明系統(tǒng)的各個方面。然而，當進行照明設(shè)計時，一些基本概念是有用的，甚至是必要的。

此處列出一些基本概念：

·計量單位

.點光源

.定義能量

.圈入能量 (Encircled energy)

.均勻分布

.étendue 和能量守恒

.在非成像和照明設(shè)計中，如何解釋 étendue

.étendue 的數(shù)學解釋

.用一個實例說明 étendue

照明設(shè)計中實用的基本概念

計量單位

照明系統(tǒng)的計量單位分為兩個方面: 輻射度學單位和光度學單位。輻射度學是對電磁輻射的計量，包括可見光光譜；而光度學是計量人眼對光的響應。當我們考慮照明系統(tǒng)時，這兩個方面之間的區(qū)別是非常重要的。這兩項剛開始可能會混淆，但總而言之，輻射度量包含輻射通量 Φ，輻射照度 E，輻射強度 I 和輻射亮度 L，而光度量包含光通量 Φ，光照度 E，發(fā)光強度 I 和光亮度 L。

下表是一個快速訪問照明單位的簡寫表。

請注意 Φ、E、I、L 并不是任何時候都使用的，有時 P、H、 J 和 N 用于相應的輻射度量，而 F、E、I 和 B 用于相應的光度量。文章照明設(shè)計的性能指標中對照明系統(tǒng)的計量單位進行了全面的說明。

點光源

一些光源與光學系統(tǒng)相比很小，可以將其簡化為一個點光源來直接計算。例如，一些小的 LED，大多數(shù)單模激光二極管 (LD) 和一些多模 LD 的表面積很小，這些光源都可以被看作一個點。如果光源可以減小到一個點，那么許多計算就會更直接，并且優(yōu)化和光線追跡仿真方面可以投入更少的計算能力。在所設(shè)計的系統(tǒng)經(jīng)過幾次迭代計算后，應該檢查一下系統(tǒng)中光源的實際大小，當鏡頭優(yōu)化進行到一定程度時，光源的大小會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生更大的影響。

一些簡單的準直器光學系統(tǒng)是一種產(chǎn)生平行光束的光學設(shè)備。我們用準直器把光發(fā)送到很遠的地方。準直器系統(tǒng)在實際應用中的一些例子：手電筒、汽車前大燈、激光筆和燈塔鏡頭。平凸透鏡可以作為屈光準直透鏡，拋物面反射器也可以作為準直反射器。兩者都能使放置在透鏡焦點上的點光源準直出射。

當使用點光源做設(shè)計時，我們沒有考慮光源的大小，所以在選擇照明方案的近似值時必須謹慎。

定義能量

光源的圈入能量

在非成像或照明光學系統(tǒng)中，當我們計算系統(tǒng)的效率時，光源的圈入能量是參考能量。以 LED 為例來說明圈入能量，如下圖中的例子。

將 LED 光源設(shè)置為簡單的朗伯分布。朗伯分布是一種均勻的光亮度 L 分布，與觀測角度無關(guān)。同時，朗伯分布的發(fā)光強度I隨著 cos(θ) 的變化而變化，被稱為朗伯余弦定理。角度 θ 的參考面是垂直于光源的表面。

圈入能量指的是光錐 θ 角內(nèi)的光通量 Φ 的大小?？梢酝ㄟ^立體角和發(fā)光強度I的積分來計算光通量 Φ 。這個積分可以使我們知道所需要光線的數(shù)目，角度的范圍，光源的光照度。

對于朗伯光源，如果只使用 LED 的±45度，可以看到我們只收集了大約50%的通量。為了能夠利用90%的通量，我們需要收集±71.6度的光錐內(nèi)的光線。當考慮光源的大小時，就增加了另一個要考慮的參數(shù)，情況就會變得更加復雜。

考慮圈入能量：TIR 鏡頭

為了利用盡可能多的光，我們需要用一個更大的角度從光源收集光線。如果使用單獨的折射透鏡或單獨的反射透鏡，光學部分的尺寸會變得太大，從而無法有效地收集光線?；诖嗽?，我們在光學設(shè)計中同時考慮折射和反射特性。

透鏡的前部為折射面，而側(cè)面由于全內(nèi)反射特性成為反射面，這樣的透鏡就是TIR 透鏡。TIR 透鏡同時具有透鏡的折射和反射特性，但由于在大多數(shù)的光學設(shè)計中使用時都依賴其全內(nèi)反射特性，所以被稱為TIR 透鏡。從這個例子中我們可以看出，在使照明系統(tǒng)的圈入能量最大化時使用的設(shè)計概念與成像光學相比并不平凡。

均勻分布

照明設(shè)計中有一個概念是能量守恒。我們可以將此概念作為照明系統(tǒng)的分析設(shè)計方法，而不是隨機設(shè)定優(yōu)化的目標值。在下面的示意圖中，高斯分布被轉(zhuǎn)換為“高帽”（top-hat）分布。高斯分布是可以量化的，可以用解析方程來表達。由于“高帽”分布在一定范圍內(nèi)是均勻分布，因此“高帽”分布也是可以量化的。在這個例子中，透鏡把光源的高斯分布轉(zhuǎn)換成一個平坦的“高帽”分布。

例如，我們可以通過兩個參數(shù)來考慮光學系統(tǒng)的光通量 Φ：

?1(θ): 角度0到 θ 的通量，即光源的圈入能量。

?2(r): 在曲率半徑0到 r之間打到探測器上的通量。

如果忽略其它的損失，能量就是守恒的，即：

?1(θ) = ?2(r).

上面的方程是 θ 和 r 的表達式，在規(guī)劃設(shè)計理念的早期設(shè)計階段可以有效地使用。

étendue 和能量守恒

在非成像和照明設(shè)計中，如何解釋 étendue

Etendue 或 étendue 是非成像照明光學系統(tǒng)設(shè)計中最基本、最關(guān)鍵的概念之一。盡管 étendue 在照明設(shè)計中非常實用，但它經(jīng)常被混淆或誤解。étendue 一詞在英語中直接翻譯為“量值”。

在我們應用時，étendue 意味著兩件事：

1.解釋了光學系統(tǒng)的通量傳遞特性。

2.在形成目標輻射分布中起著不可或缺的作用。

由于 étendue的基本特性，對于具有給定輻射和給定光學系統(tǒng)的光源，可以通過該系統(tǒng)傳輸?shù)淖畲笸渴穷A先確定的。étendue 本身是一個相對較新的概念，在定義照明光學系統(tǒng)中的 étendue 和 étendue 守恒時，使用了一系列常與 étendue混淆的類似術(shù)語。因此，有可能以不同的方式解釋 étendue (étendue 有時僅被描述為面積乘以立體角，但其它文檔是面積乘以輻射立體角）。

étendue 的數(shù)學解釋

從數(shù)學上講，它是面積和立體角的乘積，它是光學系統(tǒng)的一個基本性質(zhì)，決定了能夠通過系統(tǒng)的光線數(shù)量。它是確定光學系統(tǒng)光線總量的一種方法。étendue 由下式表示。

étendue ＝ π?A?NA2

A 是通量的橫截面積，π?NA2 是輻射立體角，NA = sinθ。

從光源到探測器，étendue 在整個光學系統(tǒng)中都是守恒的。就像水流下河流一樣，我們可以用河流的橫截面積乘以河流的流速來表示水的流量。如果橫截面積增加一倍，水的速度就減少一半。光有同樣的性質(zhì)：如果光束的橫截面積增加一倍，則立體角減少一半。當然，這忽略了光學系統(tǒng)中的任何吸收或反射。

用一個實例說明 étendue

讓我們用準直器為例來說明兩個系統(tǒng) étendue 的概念。例如，一個具有 0.3mm x 0.3mm 照明面積，輻射立體角為 ±90度的方形 LED，其計算結(jié)果為：

étendue = π A NA2

= 3.14 × 0.3 × 0.3 × (sin90°)2

= 0.28mm2 sr

如果使通量的面積為100mm2，輻射立體角是 0.0028sr，

NA＝√(0.0028/π) = 0.03,

∴ sinθ = 0.03,

和

θ＝asin(0.03)＝1.70°.

這意味著，如果照明面積為100mm2，光線最好的平行度為±1.70°。

我們可以用有限大小的光源和兩個準直器來直觀地解釋étendue的概念。

.較小準直鏡的焦距是較大準直鏡焦距的四分之一。

.這兩個例子的光源是相同的

.光源的照明面積是相同的

.光源的立體角是相同的

.較大的準直鏡有

.更大的焦距

.出射光線的立體角較小

.更大的橫截面積

.較小的準直儀有

.較小的焦距

.較大的出射光線立體角

.較小的橫截面積

正如我們所看到的，在光束的大小和準直度之間有一個權(quán)衡。在這個例子中，準直器照明設(shè)計可能的“著陸點”是：

1.高性能準直器體積較大

2.小準直器（緊湊/輕/便宜的鏡頭），準直度不太好

3.介于兩者之間

作為鏡頭設(shè)計師，有時我們會接到客戶要求，“用最小的發(fā)散準直角度設(shè)計出最小的可制造鏡頭”。利用 étendue 的概念和 étendue 守恒，我們可以在會議現(xiàn)場對該要求是否是合適的設(shè)計目標做出合理的假設(shè)。在鏡頭設(shè)計者和客戶之間規(guī)格商討的最初階段，這些快速評估是非常寶貴的。例如，如果您能在與客戶面對面的會議或電話會議中迅速地做出反應，您就能讓自己從一般的鏡頭設(shè)計師中脫穎而出。