照明設計的理论背景與概念

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本课程将先容照明体系的根本常识，出格是照明体系的布景和一些理论。此中没有冗杂的理论方程式推导，而是對基来源根基理的會商，好比“治療狐臭產品,怎麼才能做出好的照明設計？”。本课程供给照明設計暗地里适用的觀点，帮忙您創建知足設計需求的体系。

本文先容了咱们在照明設計起头前所必要领會的根基觀点。咱们探究了照明設計中适用的觀点，如计量单元、体系的能量和能量守恒(étendue).

本文其實不是對可用于照明設計中的各类光学理论的引伸，而是提出設計师在举行照明設計時應注重的底子理论和觀点。本文没有供给公式的完备推导。

照明設計的一些理论布景與觀点

非成像光学，或非序列光芒追迹通經常使用于照明設計。大大都照明設計必要分歧于成像光学的思惟進程。

照明其實不像成像光学同样創建在数学公式的根本上。傳统光学持久以来一向以成像光学為根本，咱们在成像光学中追迹的光芒数量远远少于可以或许代表物理世界的光芒。固然追迹光芒的数量少于体系中全数光芒的数量，但咱们可以用這些光芒来计较如焦距等一阶光学量和如赛德尔像差等三阶光学量。因為這些光学特征必要大量的数学计较，是以不必要追迹所有的光芒，只必要追迹全数物理光芒的一個子集。

非成像光学是光学的一個子集，與傳统成像光学的分歧的地方就长短成像光学不構成一個物体的像。非成像光学的重要方针是實現光源和照明方针之間的光能通报，将光能最优地通报到照明方针上，并获得指望的光能散布。

咱们現有的计较能力可以追迹数百万条（有時靠近10亿条）光芒，并使光芒布满照明方针，從而得到與照明概况很是靠近的结果。请注重，山茶花油減肥膠囊,前面的內容没有提到任何公式化的计较，這是一種大略类似的法子。與其说它是一種推导或计较，不如说它是一種摹拟。大大都环境下，照明設計不是基于算法，而是基于直觉和開导式成果。

如上所述，照明設計的重要方针是将光源最优地通报到照明方针上，并获得指望的散布。常见的光学設計特征，如色彩、本錢和易于制造也是設計方针。很難将後一種需求量化為评價函数。與“焦距= 50妹妹”比拟，指望的光能散布和总量或通报效力很難量化為评價函数。比方，焦距（或MTF、光斑半径、畸變）為一個固定的数字，易于作為评價函数。照明方针概况的平均性可以用几種分歧的法子来界说。

固然，彻底平均的概况是很轻易界说的。但是，如下哪一個是加倍平均照明的概况呢？a)中間照度散布平均但在角落有所降低的概况；b) 角落有更好的照度散布但在中心區域有环状或波纹状散布的概况？简而言之，這彻底取决于咱们的方针機能。因為照明体系的多样性，象征着一套設計法子和步调很難涵盖照明体系的方方面面。但是，當举行照明設計時，一些根基觀点是有效的，乃至是需要的。

此處列出一些根基觀点：

l 计量单元

l 点光源

l 界说能量

s 圈入能量(Encircled energy)

s 平均散布

l Étendue 和能量守恒

s 在非成像和照明設計中，若何诠释étendue

s étendue的数学诠释

s 用一個實例阐明 etendue

照明設計中适用的根基觀点

计量单元

照明体系的计量单元分為两個方面: 辐射度学单元和光度学单元。辐射度学是對电磁辐射的计量，包含可见光光谱；而光度学是计量人眼對光的相應。當咱们斟酌照明体系時，這两個方面之間的區分是很是首要的。這两项刚起头可能會混同，但总而言之，辐射怀抱包括辐射通量Φ，辐射照度E，辐射强度I和辐射亮度L，而光怀抱包括光通量Φ，支票借款,光照度E，發光强度I和亮光度L。

下表是一個快速拜候照明单元的简写表。

请注重Φ、E、I、L其實不是任什麼時候候都利用的，有時P、H、 J和N用于响應的辐射怀抱，而F、E、I和B用于响應的光怀抱。文章照明設計的機能指標中比照明体系的计量单元举行了周全的阐明。

点光源

一些光源與光学体系比拟很小，可以将其简化為一個点光源来直接计较。比方，一些小的LED，大大都单模激光二极管 (LD) 和一些多模LD的概况积很小，這些光源均可以被看做一個点。若是光源可以減小到一個点，那末很多计较就會更直接，而且优化和光芒追迹仿真方面可以投入更少的计较能力。在所設計的体系颠末几回迭代计较後，應當查抄一下体系中光源的現實巨细，當镜头优化举行到必定水平時，光源的巨细會對体系機能發生更大的影响。

一些简略的准直器光学体系是一種發生平行光束的光学装备。咱们用准直器把光發送到很远的處所。准直器体系在現實利用中的一些例子：手电筒、汽車前大灯、激光笔和灯塔镜头。平凸面镜可以作為屈光准直透镜，抛物面反射器也能够作為准直反射器。二者都能使安排在透镜核心上的点光源准直出射。

當利用点光源做設計時，咱们没有斟酌光源的巨细，以是在選擇照明方案的类似值時必需谨严。

界说能量

光源的圈入能量

在非成像或照明光学体系中，當咱们计较体系的效力時，光源的圈入能量是参考能量。以LED為例来阐明圈入能量，以下圖中的例子。

将LED光源设置為简略的朗伯散布。朗伯散布是一種平均的亮光度L散布，與觀测角度無關。同時，朗伯散布的發光强度I跟着cos(θ)的變革而變革，被称為朗伯余弦定理。角度θ的参考面是垂直于光源的概况。

圈入能量指的是光锥θ角內的光通量Φ的巨细。可以經由過程立体角和發光强度I的积分来计较光通量Φ。這個积分可使咱们晓得所必要光芒的数量，角度的范畴，光源的光照度。

對付朗伯光源，若是只利用LED的±45度，可以看到咱们只采集了约莫50%的通量。為了可以或许操纵90%的通量，咱们必要采集±71.6度的光锥內的光芒。當斟酌光源的巨细時，就增长了另外一個要斟酌的参数，环境就會變得加倍繁杂。

斟酌圈入能量：TIR镜头

為了操纵尽量多的光，咱们必要用一個更大的角度從光源采集光芒。若是利用零丁的折射透镜或零丁的反射透镜，光学部門的尺寸會變得太大，從而没法有用地采集光芒。基于此缘由，咱们在光学設計中同時斟酌折射和反射特征。

透镜的前部為折射面，而侧面因為全內反射特征成為反射面，如许的透镜就是TIR透镜。TIR透镜同時具备透镜的折射和反射特征，但因為在大大都的光学設計中使历時都依靠其全內反射特征，以是被称為TIR透镜。從這個例子中咱们可以看出，在使照明体系的圈入能量最大化時利用的設計觀点與成像光学比拟其實不普通。

平均散布

照明設計中有一個觀点是能量守恒。咱们可以将此觀点作為照明体系的阐發設計法子，而不是随機设定优化的方针值。鄙人面的示用意中，高斯散布被转换為“高帽”（top-hat）散布。高斯散布是可以量化的，可以用解析方程来表达。因為“高帽”散布在必定范畴內是平均散布，是以“高帽”散布也是可以量化的。在這個例子中，透镜把光源的高斯散布转换成一個平展的“高帽”散布。

比方，咱们可以經由過程两個参数来斟酌光学体系的光通量Φ：

l ƒ1(θ): 角度0到θ的通量，即光源的圈入能量。

l ƒ2(r): 在曲率半径0到 r之間打到探测器上的通量。

若是疏忽其它的丧失，能量就是守恒的，即：

ƒ1(θ) = ƒ2(r).

上面的方程是θ和r的表达式，在计划設計理念的初期設計阶段可以有用地利用。

Étendue 和能量守恒

在非成像和照明設計中益智拼裝玩具,，若何诠释étendue

Etendue 或 étendue 长短成像照明光学体系設計中最根基、最關头的觀点之一。虽然 étendue 在照明設計中很是适用，但它常常被混同或误會。 étendue一词在英语中直接翻译為“量值”。

在咱们應历時，étendue 象征着两件事：

1 诠释了光学体系的通量通报特征。

2 在構成方针辐射散布中起着不成或缺的感化。

因為 étendue的根基特征，對付具备给定辐射和给定光学体系的光源，可以經由過程该体系傳输的最大通量是预先肯定的。 étendue自己是一個相對于较新的觀点，在界说照明光学体系中的 étendue 和 étendue 守恒時，利用了一系列常與 étendue混同的雷同術语。是以，有可能以分歧的方法诠释 Étendue (Étendue 有時仅被描写為面积乘以立体角，但其它文档是面积乘以辐射立体角）。

Étendue的数学诠释

從数学上讲，它是面积和立体角的乘积，它是光学体系的一個基赋性質，决议了可以或许經由過程体系的光芒数目。它是肯定光学体系光芒总量的一種法子。Étendue由下式暗示。

Étendue ＝ π⋅A⋅NA²

A是通量的横截面积，π⋅NA²是辐射立体角，NA = sinθ。

從光源到探测器，Étendue在全部光学体系中都是守恒的。就像水流下河道同样，咱们可以用河道的横截面积乘以河道的流速来暗示水的流量。若是横截面积增长一倍，水的速率就削減一半。光有一样的性子：若是光束的横截面积增长一倍，则立体角削減一半。固然，這疏忽了光学体系中的任汽車補漆，何吸取或反射。

用一個實例阐明Étendue

讓咱们用准直器為例来阐明两個体系Étendue的觀点。比方，一個具备0.3妹妹 x 0.3妹妹照明面积，辐射立体角為±90度的方形LED，其计较成果為：

Étendue = π A NA²= 3.14 × 0.3 × 0.3 × (sin90°)²= 0.28妹妹² sr

若是使通量的面积為100妹妹²，辐射立体角是0.0028sr，

NA＝√(0.0028/π) = 0.03,

∴ sinθ = 0.03和θ＝asin(0.03)＝1.70°.

這象征着，若是照明面积為100妹妹²，光芒最佳的平行度為±1.70°。

咱们可以用有限巨细的光源和两個准直器来直觀地诠释Étendue的觀点。

l 较小准直镜的焦距是较大准直镜焦距的四分之一。

l 這两個例子的光源是不异的

s 光源的照明面积是不异的

s 光源的立体角是不异的

l 较大的准直镜有

s 更大的焦距

s 出射光芒的立体角较小

s 更大的横截面积

l 较小的准直镜有

s 较小的焦距

s 较大的出射光芒立体角

s 较小的横截面积

正如咱们所看到的，在光束的巨细和准直度之間有一個掂量。在這個例子中，准直器照明設計可能的“着陆点”是：

1 高機能准直器体积较大

2 小准直器（紧凑/轻/廉價的镜头），准直度山茶花油減肥膠囊,不太好

3 介于二者之間

作為镜头設計师，有時咱们會接到客户请求，“用最小的發散准直角度設計出最小的可制造镜头”。操纵Étendue的觀点和Étendue守恒，咱们可以在集會現场對该请求是不是符合的設計方针做出公道的假如。在镜头設計者和客户之間規格切磋的最初阶段，這些快速评估是很是贵重的。比方，若是您能在與客户面临面的集會或德律风集會中敏捷地做出反响，您就可以讓本身從一般的镜头設計师中脱颖而出。