Ansys Zemax | 照明设计的性能指标

本文介绍了照明系统的基础知识，特别是照明系统的性能目标。本文是照明系统基础学习路径的一部分，会指引您了解“如何完成良好的照明设计？”，也会描述照明系统的各种性能目标，以便你能清楚地定义照明设计的目标参数。

简介

本文是照明基础的内容，提供了关于照明系统性能目标的讨论和示例。“如何完成良好的照明设计？”，这个问题将通过讨论照明设计中常见的单位和目标来解决。

如何完成良好的照明设计？

照明设计的核心目标只有一个：“光线从光源到探测器能够最优传输”。

然而，我们知道事情并没有那么简单。光线传输有许多方法。一些约束会根据我们的优先级（比如系统尺寸和性能）使最优传输发生改变。并且，探测器可以是任何形状。虽然本文中应用了常见的光学工程特性，如颜色、成本和制造性，但我们也将定义针对各种系统的标准照明需求。学习本文后，我们将能够定义照明系统的关键参数，并确保我们的照明设计性能良好。

照明系统的计量单位

在深入了解核心性能之前，让我们先定义照明系统的参数。计量单位有两组，每组又有计量子集。

照明系统的计量单位分为两个方面：辐射度学单位和光度学单位。辐射度学是对电磁辐射的计量，包括可见光光谱；而光度学是计量人眼对光的响应。当我们考虑照明系统时，这两个方面之间的区别是非常重要的。例如，波长为905nm的激光二极管不能被人眼看到，因此，任何光测量值都为零。另一方面，平衡 sub-UV 蓝光光源与近红外光光源的能量是至关重要的，因为人眼最敏感的波长约为550nm，需要更多550nm两侧的光谱实现人眼的平衡。

这两项刚开始可能会混淆，但总而言之，辐射度量包含辐射通量 Φ，辐射照度E，辐射强度 I 和辐射辉度 L，而光度量包含光通量 Φ，光照度 E，发光强度I和辉度L。如果辐射度量的值在波长的光谱维度上不同，那么辐射通量可以进一步分解为光谱通量、光谱辐射照度、光谱强度和光谱辉度。在这种情况下，最好将辐射通量称为总辐射通量，以区分光谱维度和总光谱范围。

*请注意Φ、E、I、L并不是任何时候都使用的，有时 P、H、 J 和 N 用于相应的辐射度量，而 F、E、I 和 B 用于相应的光度量。

当我们开始设计系统时，我们希望能够正确地定义这些单位，因为看起来很小的错误可能会改变一切。当所需的目标性能是强度时，我们不能建立光照度为系统衡量标准。不同领域人员对强度（以及其它光学术语）有不同的定义，因此，当我们与非光学领域的人员交流时，确保光学指标要求精确是至关重要的。如果有人说“我想要表面强度为100 W / m²的系统”，我们需要清楚他们的要求是指光照度，还是指辐射强度 W / sr。

下图是上述光度单位的示意图。用可视化的方式表示单位，也许能够更直观地理解不同的计量单位。

关键性能参数：均匀性(Uniformity)

均匀性是指表面分布的偏离程度。均匀性的度量通常是用均方根 (RMS)和P-V来表示，但有时它是用给定范围内的斜率或分布变化来描述的。

角均匀性 (Angular uniformity)：立体角上的均匀性

角均匀性通常用强度来度量，是指单位立体角上的通量。需要用到角均匀性的应用有：

·飞行时间 (TOF) 光源

·太阳能聚光器

表面均匀性：单位面积上的均匀性

表面均匀性通常用光照度来计量，是指单位面积上的通量大小。

需要用到表面均匀性的例子有：

·投影仪

·背光照明显示器

·在一维中可用于线性生成器

关键性能参数：吞吐量和效率

有几个因素可以影响通过系统的光量：

·传递能力或 Étendue

·光学材料的吸收率

·反射表面的反射率

·光学表面间的菲涅尔反射

我们可以通过设计来控制光的损失，即控制系统的传递能力。通过改变进入照明系统的光线形状和数量，从而使系统的传递效率发生变化。菲涅耳反射会根据光线入射角的变化而变化，因此受光线形状的影响较小，它是一个非主导因素的设计参数。这种传递能力可以称为效率。我们通过对输入光和输出光进行比较来测量系统的效率。通常，更强的传递能力是有益的，且不会损害系统。仍有少数例外的系统选择传递能力较低的解，这是为了以下几个方面的平衡：

·性能：即传递能力以外的性能参数，如均匀性和颜色

·系统的尺寸：这可能是初始的约束，也决定了成本

·复杂性：这会使系统更难制造，更难控制质量，会使得在完成体积要求方面花费更多的成本

·成本

关键性能参数：颜色

光的可感知颜色可由其色度量化。色度是由国际照明委员会或国际照明委员会 (CIE)定义的，颜色匹配函数给出了 CIE 1931 色品坐标图。

将色品坐标用图形表示，光的所有可能的颜色都包含在这个图中。图中曲线参数表示纯单色光谱颜色。大多数照明系统都使用中央白色区域，它包含各种“白色阴影”。上图中的曲线 Tc(K) 是黑体色品迹线，也就是随温度变化的黑体光源颜色变化轨迹。例如：加热金属的颜色变化，从深红色到橙色、黄白色、白色，最后在极端高温下变成蓝白色。白光的 相关色温 (CCT) 通常是颜色典型指标。例如：黑体光源（如白炽灯），其色温与黑体辐射光源非常接近。其它光源，如 LED，也是根据色温来分类的。

在设计视觉照明系统时，目标颜色“白”可以是任意的。在照明设计中，则表示基于色温的目标颜色，或基于 CIE 坐标 Cx 和Cy的目标颜色。在实践中，则可以表示对目标表面的颜色有要求，如 CCT=4500K，或 CIE(x,y) =(0.360,0.363)。OpticStudio 可以导出相应的颜色。辐射度测量不能体现颜色，但任何可能影响系统的波长变化都将被考虑在内。