ZEMAX | 照明設計的性能指標

宇熠科技

2021年12月23日 17:43

本課程介紹了照明系統的基礎知識，特別是照明系統的性能目標。本課程是照明系統基礎學習路徑的一部分。本課程會指引您了解“如何完成良好的照明設計？”。本課將會描述照明系統的各種性能目標，以便你能清楚地定義照明設計的目標參數。

簡介

本課是照明基礎的內容，提供了關于照明系統性能目標的討論和示例。“如何完成良好的照明設計？”，這個問題將通過討論照明設計中常見的單位和目標來解決。

如何完成良好的照明設計？

照明設計的核心目標只有一個：“光線從光源到探測器能夠最優傳輸”。

然而，我們知道事情并沒有那么簡單。光線傳輸有許多方法。一些約束會根據我們的優先級（比如系統尺寸和性能）使最優傳輸發生改變。并且，探測器可以是任何形狀。雖然本文中應用了常見的光學工程特性，如顏色、成本和制造性，但我們也將定義針對各種系統的標準照明需求。學習本課后，我們將能夠定義照明系統的關鍵參數，并確保我們的照明設計性能良好。

照明系統的計量單位

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

照明系統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時，這兩個方面之間的區別是非常重要的。例如，波長為905nm的激光二極管不能被人眼看到，因此，任何光測量值都為零。另一方面，平衡 sub-UV 藍光光源與近紅外光光源的能量是至關重要的，因為人眼最敏感的波長約為550nm，需要更多550nm兩側的光譜實現人眼的平衡。

ZEMAX | 照明設計的性能指標的圖1

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 和輻射輝度 L，而光度量包含光通量 Φ，光照度 E，發光強度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一步分解為光譜通量、光譜輻射照度、光譜強度和光譜輝度。在這種情況下，最好將輻射通量稱為總輻射通量，以區分光譜維度和總光譜范圍。

*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。

		輻射度量		光度量
術語	符號	名稱	單位	名稱	單位
通量	Φ	輻射通量	瓦特 (W)	光通量	流明(lm)
通量/面積	E	輻射照度	瓦特/平方米	光照度	流明/平方米或勒克斯
通量/立體角	I	輻射強度	瓦特/球面度	發光強度	流明/球面度或坎德拉 (cd)
通量/面積?立體角	L	輻射亮度	W/m2?sr	光亮度	流明/平方米?球面度或坎德拉/平方米或尼特

當我們開始設計系統時，我們希望能夠正確地定義這些單位，因為看起來很小的錯誤可能會改變一切。當所需的目標性能是強度時，我們不能建立光照度為系統衡量標準。不同領域人員對強度（以及其它光學術語）有不同的定義，因此，當我們與非光學領域的人員交流時，確保光學指標要求精確是至關重要的。如果有人說“我想要表面強度為100 W / m2的系統”，我們需要清楚他們的要求是指光照度，還是指輻射強度 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量單位。

ZEMAX | 照明設計的性能指標的圖2

關鍵性能參數：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，但有時它是用給定范圍內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用有：

飛行時間 (TOF) 光源
太陽能聚光器

ZEMAX | 照明設計的性能指標的圖3

表面均勻性：單位面積上的均勻性

表面均勻性通常用光照度來計量，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

ZEMAX | 照明設計的性能指標的圖4

關鍵性能參數：吞吐量和效率

有幾個因素可以影響通過系統的光量：

傳遞能力或 étendue
光學材料的吸收率
反射表面的反射率
光學表面間的菲涅爾反射

我們可以通過設計來控制光的損失，即控制系統的傳遞能力。通過改變進入照明系統的光線形狀和數量，從而使系統的傳遞效率發生變化。菲涅耳反射會根據光線入射角的變化而變化，因此受光線形狀的影響較小，它是一個非主導因素的設計參數。這種傳遞能力可以稱為效率。我們通過對輸入光和輸出光進行比較來測量系統的效率。通常，更強的傳遞能力是有益的，且不會損害系統。仍有少數例外的系統選擇傳遞能力較低的解，這是為了以下幾個方面的平衡：

性能：即傳遞能力以外的性能參數，如均勻性和顏色。
系統的尺寸：這可能是初始的約束，也決定了成本。
復雜性：這會使系統更難制造，更難控制質量，會使得在完成體積要求方面花費更多的成本。
成本

關鍵性能參數：顏色

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

ZEMAX | 照明設計的性能指標的圖5

將色品坐標用圖形表示，光的所有可能的顏色都包含在這個圖中。圖中曲線參數表示純單色光譜顏色。大多數照明系統都使用中央白色區域，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白色。白光的 相關色溫 (CCT) 通常是顏色典型指標。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，也是根據色溫來分類的。

在設計視覺照明系統時，目標顏色“白”可以是任意的。在照明設計中，則表示基于色溫的目標顏色，或基于 CIE 坐標 Cx 和Cy的目標顏色。在實踐中，則可以表示對目標表面的顏色有要求，如 CCT=4500K，或 CIE(x,y) =(0.360,0.363)。OpticStudio 可以導出相應的顏色。輻射度測量不能體現顏色，但任何可能影響系統的波長變化都將被考慮在內。

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