在這篇博文中，我們將介紹有關(guān)照明系統(tǒng)的定義和概念，并對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展。讓我們從原始的問(wèn)題“什么是照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)？”開始。我們不急于直接討論照明系統(tǒng)包含哪些組成部分，而是以常見(jiàn)的實(shí)例幫助大家構(gòu)建對(duì)成像照明系統(tǒng)和非成像照明系統(tǒng)的認(rèn)知。

什么是照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)？

用一句話概括：照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)是讓光源發(fā)出的光呈現(xiàn)特定的分布。

所以對(duì)于所有的照明系統(tǒng)，必須有光源，以及描述光學(xué)系統(tǒng)輸出光線分布的方法。

一些光源的例子：

• 發(fā)光二極管 (LED)

• 激光二極管 (LDs)

• 白熾燈、鹵素?zé)?/p>

• 太陽(yáng)和其他黑體輻射源（如人類和動(dòng)物）

• 熒光燈

• 冷光燈

• 點(diǎn)光源（如星星）

在工業(yè)應(yīng)用中，最常用的光源是放電光源（如鹵素?zé)簦┖碗娭掳l(fā)光光源（如LED和激光器）。

常見(jiàn)照明系統(tǒng)參數(shù)：

• 通量：

• 功率或輻射通量（瓦）

• 光通量（流明）

• 單位面積通量：

• 輻照度（瓦每平方米）

• 照度（勒克斯）

• 單位立體角通量：

• 輻射強(qiáng)度（瓦每立體角）

• 光強(qiáng)度（坎德拉）

• 單位面積-單位立體角通量：

• 輻亮度（瓦每平方米每立體角）

• 亮度（尼特）

光源、探測(cè)器、計(jì)量單位都將在后續(xù)文章中展開。

我們令光實(shí)現(xiàn)特定分布的同時(shí)，也要盡可能高效地傳輸光源的光。常見(jiàn)的光學(xué)現(xiàn)象：如反射、折射甚至散射，都能幫助我們改變光線方向，從而達(dá)成性能目標(biāo)。因?yàn)檫@些現(xiàn)象都可以用光學(xué)表面來(lái)控制，所以，巧妙運(yùn)用光學(xué)表面是照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

照明系統(tǒng)實(shí)例

本部分將介紹一些常見(jiàn)的照明系統(tǒng)，我們將附上圖片和文字說(shuō)明以方便理解。

激光二極管

激光二極管 (LDs) 應(yīng)用廣泛，如條形碼掃描器、準(zhǔn)直器、線發(fā)生器和投影系統(tǒng)等。它們的照明范圍都很小，因此很適合對(duì)它們的光線進(jìn)行準(zhǔn)直和控制。使用時(shí)要注意激光相干性問(wèn)題，否則可能會(huì)由于干涉、衍射或散斑而導(dǎo)致出現(xiàn)不需要的偽影。

微透鏡陣列

微透鏡陣列常用于使光分布均勻。每個(gè)透鏡的小孔徑都有一個(gè)小的NA，且只占整個(gè)照明區(qū)域的很小一部分，非均勻光束能精細(xì)地實(shí)現(xiàn)很好的均勻度。透鏡陣列的另一個(gè)常見(jiàn)用法是漫反射光束，常作為角照明系統(tǒng)的漫反射透鏡。

背光顯示

背光源常用于平板液晶顯示器中，它本身并不發(fā)光，顯示圖形是對(duì)光線調(diào)制的結(jié)果。其廣泛應(yīng)用于下至手機(jī)、智能電話，上至電視、大屏幕的大大小小的顯示系統(tǒng)中。背光源的基本組成是：導(dǎo)光板、散射鏡和增亮膜 (BEF)等。背光系統(tǒng)有兩種類型，傳統(tǒng)邊緣照明系統(tǒng)使用LED作為光源，光沿著導(dǎo)光板傳播。優(yōu)秀的光學(xué)設(shè)計(jì)可以提高光分布的均勻性。

(相關(guān)參考文章請(qǐng)單擊此處)

另一種方法是背光顯示器的直接照明，使用多個(gè)LED正對(duì)帶有擴(kuò)散透鏡的LCD顯示器，來(lái)傳播光。由于這種顯示器是直接照明的，所以不需要昂貴的導(dǎo)光板。

LED 照明

LED是照明行業(yè)中的一種重要的光源，它體積小、堅(jiān)固耐用、壽命長(zhǎng)，同時(shí)能量效率又很高。能立即點(diǎn)亮，顏色也有多種選擇。這些優(yōu)勢(shì)讓它們?cè)趷毫迎h(huán)境下成為了優(yōu)于白熾燈、鹵素?zé)簟⒓す獾纫槐姽庠吹倪x擇。

LED的應(yīng)用實(shí)例：汽車前照燈、路面牽引燈、LED燈泡、LED準(zhǔn)直器等。

投影系統(tǒng)

某種意義上，投影系統(tǒng)是一種混合光學(xué)系統(tǒng)，因?yàn)樗且粋€(gè)成像照明系統(tǒng)，有時(shí)系統(tǒng)中還有非成像組件。投影可以在很近的地方使用，例如HUD系統(tǒng)的中間照明平面。投影也可以用于中遠(yuǎn)距離，如投影儀。

LCD顯示器照明器（LCD顯示器背光作為照明系統(tǒng)的一部分）

光波導(dǎo)

光波導(dǎo)利用發(fā)生在介質(zhì)中的多次全內(nèi)反射來(lái)傳輸光學(xué)介質(zhì)中的光。這種方式幾乎允許光彎曲向任何方向，但需要理解由于全內(nèi)反射產(chǎn)生的限制，以避免光的泄漏。

成像與照明的區(qū)別

之前的部分介紹了常見(jiàn)的照明系統(tǒng)，其中有些是成像系統(tǒng)，有些是非成像照明系統(tǒng)。成像光學(xué)系統(tǒng)如攝影物鏡，會(huì)形成一個(gè)物體的圖像。

非成像系統(tǒng)，顧名思義，不會(huì)將物或像作為設(shè)計(jì)方法的考慮范圍，與成像系統(tǒng)有著根本區(qū)別，但二者都是照明仿真中的有用概念。

成像理論在照明系統(tǒng)中的應(yīng)用

有實(shí)像的系統(tǒng)可能是攝影鏡頭，也可能是投影儀。如果像直接投影到屏幕上，我們可以把光線從物方傳播到屏幕來(lái)實(shí)現(xiàn)照明。 

 

投影儀成像系統(tǒng)與攝影鏡頭還是有些不同，例如它利用透鏡的遠(yuǎn)心性來(lái)提高物光分布的均勻性。但光線追跡的思路仍能對(duì)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定程度的啟發(fā)。

上面的例子都是針對(duì)實(shí)像的，然而也有使用虛像的照明系統(tǒng)。目鏡、定位儀、平視顯示器等都是使用虛像的成像系統(tǒng)，盡管與照明沒(méi)有直接聯(lián)系，但都含有照明組件。例如，對(duì)于平視顯示器，照明對(duì)象（通常是LCD）向眼睛投射虛像，虛像的亮度取決于光是如何從LCD傳到我們的眼睛的。如果不仔細(xì)考慮其中的邏輯，我們最終得到的平視顯示器圖像則可能是不均勻的，或者我們轉(zhuǎn)動(dòng)頭部時(shí)看到的圖像會(huì)產(chǎn)生變化。

一些照明系統(tǒng)中使用了成像系統(tǒng)的理論和技術(shù)，下面是常見(jiàn)的實(shí)例和概述。

臨界照明

光源在被照明區(qū)域成像，可以被認(rèn)為是照明系統(tǒng)的一種形式。這種形式被稱為臨界照明。由于光源直接成像到被照明的表面，所以光源的均勻性（或不均勻性）將直接影響到所得照明效果的均勻性。因此臨界照明系統(tǒng)最好與均勻性高的光源一起使用。對(duì)于需要控制像差的投影系統(tǒng)，投影透鏡還需要在它和光源像之間留出適當(dāng)空間。

上圖是一個(gè)臨界照明系統(tǒng)，光源通過(guò)一個(gè)聚光鏡成像在中間像面上，再利用投影鏡投射到屏幕上。前半部分邊緣光線（紅實(shí)線）從光源中心追跡到聚光鏡的孔徑邊緣，再追跡到中間像面的中心。后半部分邊緣光線（紅虛線）可以從中間像面的中心追跡到投影鏡頭孔徑邊緣，再追跡到照明目標(biāo)的中心。前半部分主光線（藍(lán)實(shí)線）可以從光源（物）的邊緣追跡到聚光鏡的中心，再追跡到中間像面的邊緣。后半部分主光線（藍(lán)虛線）從中間像面邊緣追跡至投影鏡頭中心，再追跡至照明目標(biāo)的邊緣。

請(qǐng)注意照明屏幕的概念是如何用成像和光線追跡的理論來(lái)表達(dá)的。使用性能良好的聚光鏡、性能良好的投影透鏡和分布均勻的光源，臨界照明可以實(shí)現(xiàn)非常好的效果。

科勒照明系統(tǒng)

科勒照明是一種典型的用于非均勻光源的照明系統(tǒng)，典型的非均勻光源如燈絲和燈泡。臨界照明系統(tǒng)的限制是照明均勻性依賴于光源中間像面的均勻性，任何不均勻都會(huì)直接反映在最終成像效果上，而科勒照明則在聚光鏡和投影鏡上都使用完全散焦的圖像。

如上圖所示，光源通過(guò)聚光鏡（藍(lán)色、紅色實(shí)線）成像到投影鏡上，聚光鏡在通過(guò)投影鏡成像到被照明表面上（藍(lán)色、紅色虛線）。前半部分邊緣光線（紅色實(shí)線）從光源（物）的中心追跡到聚光鏡的孔徑的邊緣，再到中間像面的中心。而這個(gè)中間像面恰好處在投影鏡處。后半部分的邊緣光線（紅色虛線）可以從聚光鏡的中心追跡到投影鏡的邊緣，然后追跡到照明目標(biāo)的中心（屏幕）。前半部分主光線（藍(lán)色實(shí)線）可以從光源（物）的邊緣追跡到聚光鏡孔徑中心，再到中間圖像的邊緣，在這個(gè)系統(tǒng)中恰好是投影鏡的邊緣。后半部分主光線（藍(lán)色虛線）從聚光鏡的邊緣追跡至投影鏡的中心，然后追跡到被照明目標(biāo)的邊緣。注意，邊緣光線和主光線沒(méi)有連接，紅實(shí)線與紅虛線也沒(méi)有連接，藍(lán)實(shí)線和藍(lán)虛線也沒(méi)有鏈接。也就是說(shuō)邊緣光線和主光線在聚光鏡和投影鏡沒(méi)有連接。這解決了光源不均勻性的問(wèn)題，因?yàn)楣庠吹膱D像沒(méi)有直接成像在被照明表面上。

拋物面和橢球面反射器

拋物面反射器用于準(zhǔn)直點(diǎn)光源發(fā)出的光，因此可以利用另一個(gè)透鏡形成一個(gè)像點(diǎn)。

橢球反射器是一種將光源的光收集到一點(diǎn)的方法。如果我們把光源放在橢球的一個(gè)焦點(diǎn)上，則光源就會(huì)成像到另一個(gè)焦點(diǎn)。

從圖中我們可以看出，入射到反射鏡上的光線，會(huì)以預(yù)期的方式定向傳播或者聚焦。圖中未標(biāo)出的光源向左出射的光都不會(huì)打到反射鏡上，即被浪費(fèi)掉了。

雖然上述例子都在照明系統(tǒng)中應(yīng)用了成像理論，但這并不是照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的常規(guī)方法。但當(dāng)非序列模式光線追跡不可用時(shí)，成像理論是設(shè)計(jì)光線分布的唯一方法。雖然成像系統(tǒng)也可以用于照明，但是也沒(méi)有必要為了照明而特地去使用，取而代之的是使用非成像系統(tǒng)。無(wú)論什么方法，不同的照明設(shè)計(jì)都要采取不同的思路和不同的工具（雖然大體上都是非序列模式追跡）。

非成像光學(xué)系統(tǒng)入門

非成像光學(xué)系統(tǒng)是光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)子集，與成像光學(xué)系統(tǒng)相比，它的目的不是為了獲得物體的圖像，而是控制光在光源和被照明物體間的傳輸。換句話說(shuō)，非成像光學(xué)系統(tǒng)和照明光學(xué)系統(tǒng)試圖實(shí)現(xiàn)光從光源到被照明物體上期望分布的最佳傳輸方式。

傳統(tǒng)光學(xué)一直是成像光學(xué)，設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)追跡少量光線計(jì)算焦距等一階參數(shù)、利用賽德理論計(jì)算三階像差等。盡管這些過(guò)程涉及大量計(jì)算，但只需要追跡少量光線就能得出結(jié)果。

非成像光學(xué)中點(diǎn)A和點(diǎn)B之間沒(méi)有嚴(yán)格的關(guān)系，我們?cè)谝龑?dǎo)光線到達(dá)想要的位置時(shí)擁有更多的自由。非成像光學(xué)的約束和限制較少，然而這也意味著為了準(zhǔn)確描述非成像系統(tǒng)的性能，我們需要追跡大量的光線。這種“非解析”性質(zhì)的計(jì)算，如“吞吐量”、“光學(xué)效率”、“光學(xué)均勻性”，會(huì)使優(yōu)化過(guò)程更抽象、更不可控。然而目前計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，短時(shí)間內(nèi)追跡數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億光線也是可行的。這極大地幫助了非成像照明系統(tǒng)的發(fā)展。

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