本課程介紹了照明系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)，特別是照明系統(tǒng)的性能目標(biāo)。本課程是照明系統(tǒng)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)路徑的一部分。本課程會(huì)指引您了解“如何完成良好的照明設(shè)計(jì)？”。本課將會(huì)描述照明系統(tǒng)的各種性能目標(biāo)，以便你能清楚地定義照明設(shè)計(jì)的目標(biāo)參數(shù)。

簡(jiǎn)介

本課是照明基礎(chǔ)的內(nèi)容，提供了關(guān)于照明系統(tǒng)性能目標(biāo)的討論和示例。“如何完成良好的照明設(shè)計(jì)？”，這個(gè)問題將通過討論照明設(shè)計(jì)中常見的單位和目標(biāo)來解決。

如何完成良好的照明設(shè)計(jì)？

照明設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)只有一個(gè)：“光線從光源到探測(cè)器能夠最優(yōu)傳輸”。

然而，我們知道事情并沒有那么簡(jiǎn)單。光線傳輸有許多方法。一些約束會(huì)根據(jù)我們的優(yōu)先級(jí)（比如系統(tǒng)尺寸和性能）使最優(yōu)傳輸發(fā)生改變。并且，探測(cè)器可以是任何形狀。雖然本文中應(yīng)用了常見的光學(xué)工程特性，如顏色、成本和制造性，但我們也將定義針對(duì)各種系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)照明需求。學(xué)習(xí)本課后，我們將能夠定義照明系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，并確保我們的照明設(shè)計(jì)性能良好。

照明系統(tǒng)的計(jì)量單位

在深入了解核心性能之前，讓我們先定義照明系統(tǒng)的參數(shù)。計(jì)量單位有兩組，每組又有計(jì)量子集。

照明系統(tǒng)的計(jì)量單位分為兩個(gè)方面：輻射度學(xué)單位和光度學(xué)單位。輻射度學(xué)是對(duì)電磁輻射的計(jì)量，包括可見光光譜；而光度學(xué)是計(jì)量人眼對(duì)光的響應(yīng)。當(dāng)我們考慮照明系統(tǒng)時(shí)，這兩個(gè)方面之間的區(qū)別是非常重要的。例如，波長為905nm的激光二極管不能被人眼看到，因此，任何光測(cè)量值都為零。另一方面，平衡 sub-UV 藍(lán)光光源與近紅外光光源的能量是至關(guān)重要的，因?yàn)槿搜圩蠲舾械牟ㄩL約為550nm，需要更多550nm兩側(cè)的光譜實(shí)現(xiàn)人眼的平衡。

這兩項(xiàng)剛開始可能會(huì)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(qiáng)度 I 和輻射輝度 L，而光度量包含光通量 Φ，光照度 E，發(fā)光強(qiáng)度I和輝度L。如果輻射度量的值在波長的光譜維度上不同，那么輻射通量可以進(jìn)一步分解為光譜通量、光譜輻射照度、光譜強(qiáng)度和光譜輝度。在這種情況下，最好將輻射通量稱為總輻射通量，以區(qū)分光譜維度和總光譜范圍。

*請(qǐng)注意Φ、E、I、L并不是任何時(shí)候都使用的，有時(shí) P、H、 J 和 N 用于相應(yīng)的輻射度量，而 F、E、I 和 B 用于相應(yīng)的光度量。

當(dāng)我們開始設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，我們希望能夠正確地定義這些單位，因?yàn)榭雌饋砗苄〉腻e(cuò)誤可能會(huì)改變一切。當(dāng)所需的目標(biāo)性能是強(qiáng)度時(shí)，我們不能建立光照度為系統(tǒng)衡量標(biāo)準(zhǔn)。不同領(lǐng)域人員對(duì)強(qiáng)度（以及其它光學(xué)術(shù)語）有不同的定義，因此，當(dāng)我們與非光學(xué)領(lǐng)域的人員交流時(shí)，確保光學(xué)指標(biāo)要求精確是至關(guān)重要的。如果有人說“我想要表面強(qiáng)度為100 W / m2的系統(tǒng)”，我們需要清楚他們的要求是指光照度，還是指輻射強(qiáng)度 W / sr。

下圖是上述光度單位的示意圖。用可視化的方式表示單位，也許能夠更直觀地理解不同的計(jì)量單位。

關(guān)鍵性能參數(shù)：均勻性(Uniformity)

均勻性是指表面分布的偏離程度。均勻性的度量通常是用均方根 (RMS)和P-V來表示，但有時(shí)它是用給定范圍內(nèi)的斜率或分布變化來描述的。

角均勻性 (Angular uniformity)：立體角上的均勻性

角均勻性通常用強(qiáng)度來度量，是指單位立體角上的通量。需要用到角均勻性的應(yīng)用有：

· 飛行時(shí)間 (TOF) 光源

· 太陽能聚光器

表面均勻性：?jiǎn)挝幻娣e上的均勻性

表面均勻性通常用光照度來計(jì)量，是指單位面積上的通量大小。

需要用到表面均勻性的例子有：

· 投影儀

·背光照明顯示器

· 在一維中可用于線性生成器

關(guān)鍵性能參數(shù)：吞吐量和效率

有幾個(gè)因素可以影響通過系統(tǒng)的光量：

· 傳遞能力或 étendue

· 光學(xué)材料的吸收率

· 反射表面的反射率

· 光學(xué)表面間的菲涅爾反射

我們可以通過設(shè)計(jì)來控制光的損失，即控制系統(tǒng)的傳遞能力。通過改變進(jìn)入照明系統(tǒng)的光線形狀和數(shù)量，從而使系統(tǒng)的傳遞效率發(fā)生變化。菲涅耳反射會(huì)根據(jù)光線入射角的變化而變化，因此受光線形狀的影響較小，它是一個(gè)非主導(dǎo)因素的設(shè)計(jì)參數(shù)。這種傳遞能力可以稱為效率。我們通過對(duì)輸入光和輸出光進(jìn)行比較來測(cè)量系統(tǒng)的效率。通常，更強(qiáng)的傳遞能力是有益的，且不會(huì)損害系統(tǒng)。仍有少數(shù)例外的系統(tǒng)選擇傳遞能力較低的解，這是為了以下幾個(gè)方面的平衡：

· 性能：即傳遞能力以外的性能參數(shù)，如均勻性和顏色。

· 系統(tǒng)的尺寸：這可能是初始的約束，也決定了成本。

· 復(fù)雜性：這會(huì)使系統(tǒng)更難制造，更難控制質(zhì)量，會(huì)使得在完成體積要求方面花費(fèi)更多的成本。

· 成本

關(guān)鍵性能參數(shù)：顏色

光的可感知顏色可由其色度量化。色度是由國際照明委員會(huì)或國際照明委員會(huì) (CIE)定義的，顏色匹配函數(shù)給出了 CIE 1931 色品坐標(biāo)圖。

將色品坐標(biāo)用圖形表示，光的所有可能的顏色都包含在這個(gè)圖中。圖中曲線參數(shù)表示純單色光譜顏色。大多數(shù)照明系統(tǒng)都使用中央白色區(qū)域，它包含各種“白色陰影”。上圖中的曲線 Tc(K) 是黑體色品跡線，也就是隨溫度變化的黑體光源顏色變化軌跡。例如：加熱金屬的顏色變化，從深紅色到橙色、黃白色、白色，最后在極端高溫下變成藍(lán)白色。白光的 相關(guān)色溫 (CCT) 通常是顏色典型指標(biāo)。例如：黑體光源（如白熾燈），其色溫與黑體輻射光源非常接近。其它光源，如 LED，也是根據(jù)色溫來分類的。

在設(shè)計(jì)視覺照明系統(tǒng)時(shí)，目標(biāo)顏色“白”可以是任意的。在照明設(shè)計(jì)中，則表示基于色溫的目標(biāo)顏色，或基于 CIE 坐標(biāo) Cx 和Cy的目標(biāo)顏色。在實(shí)踐中，則可以表示對(duì)目標(biāo)表面的顏色有要求，如 CCT=4500K，或 CIE(x,y) =(0.360,0.363)。OpticStudio 可以導(dǎo)出相應(yīng)的顏色。輻射度測(cè)量不能體現(xiàn)顏色，但任何可能影響系統(tǒng)的波長變化都將被考慮在內(nèi)。