照明系统简介

本文将对照明系统进行一个简要的介绍,回答诸如“什么是照明系统设计?”、“经典的照明系统有哪些?”等问题。

作者 Katsumoto Ikeda

简介

本文着重介绍有关照明系统的定义和概念,后续的教程文章将对它们进行深入讨论和扩展。让我们从原始的问题——“什么是照明系统设计?”开始。我们不急于直接讨论照明系统包含哪些组成部分,而是以常见的实例帮助大家构建对成像照明系统和非成像照明系统的认知。

什么是照明系统设计?

用一句话概括:照明系统设计是让光源发出的光呈现特定的分布。

Light source

所以对于所有的照明系统,必须有光源,以及描述光学系统输出光线分布的方法。

一些光源的例子:

  • 发光二极管 (LED)
  • 激光二极管 (LDs)
  • 白炽灯、卤素灯
  • 太阳和其它黑体辐射源(如人类和动物)
  • 荧光灯
  • 冷光灯
  • 点光源(如星星)

在工业应用中,最常用的光源是放电光源(如卤素灯)和电致发光光源(如LED和激光器)。

常见照明系统参数:

  • 通量:
    • 功率或辐射通量(瓦)
    • 光通量(流明)
  • 单位面积通量:
    • 辐照度(瓦每平方米)
    • 照度(勒克斯)
  • 单位立体角通量:
    • 辐射强度(瓦每立体角)
    • 光强度(坎德拉)
  • 单位面积-单位立体角通量:
    • 辐亮度(瓦每平方米每立体角)
    • 亮度(尼特)

光源、探测器、计量单位都将在后续文章中展开。

我们令光实现特定分布的同时,也要尽可能高效地传输光源的光。常见的光学现象:如反射、折射甚至散射,都能帮助我们改变光线方向,从而达成性能目标。因为这些现象都可以用光学表面来控制,所以,巧妙运用光学表面是照明系统设计的关键。

Ray behavior

照明系统实例

本部分将介绍一些常见的照明系统,我们将附上图片和文字说明以方便理解。

激光二极管:

激光二极管 (LDs) 应用广泛,如条形码扫描器、准直器、线发生器和投影系统等。它们的照明范围都很小,因此很适合对它们的光线进行准直和控制。使用时要注意激光相干性问题,否则可能会由于干涉、衍射或散斑而导致出现不需要的伪影。

Line generator

Lasers.JPG
By 彭嘉傑 - Own work, CC BY 2.5, Link

微透镜阵列:

微透镜阵列常用于使光分布均匀。每个透镜的小孔径都有一个小的NA,且只占整个照明区域的很小一部分,非均匀光束能精细地实现很好的均匀度。透镜阵列的另一个常见用法是漫反射光束,常作为角照明系统的漫反射透镜。

MLA

背光显示:

背光源常用于平板液晶显示器中,它本身并不发光,显示图形是对光线调制的结果。其广泛应用于下至手机、智能电话,上至电视、大屏幕的大大小小的显示系统中。背光源的基本组成是:导光板、散射镜和增亮膜 (BEF)等。背光系统有两种类型,传统边缘照明系统使用LED作为光源,光沿着导光板传播。优秀的光学设计可以提高光分布的均匀性。

LCD edge
(相关参考文章请单击 此处)

另一种方法是背光显示器的直接照明,使用多个LED正对带有扩散透镜的LCD显示器,来传播光。由于这种显示器是直接照明的,所以不需要昂贵的导光板。

LCD direct

LED:

LED是照明行业中的一种重要的光源,它体积小、坚固耐用、寿命长,同时能量效率又很高。能立即点亮,颜色也有多种选择。这些优势让它们在恶劣环境下成为了优于白炽灯、卤素灯、激光等一众光源的选择。

LED

LED的应用实例:汽车前照灯、路面牵引灯、LED灯泡、LED准直器等。

投影系统:

某种意义上,投影系统是一种混合光学系统,因为它是一个成像照明系统,有时系统中还有非成像组件。投影可以在很近的地方使用,例如HUD系统的中间照明平面。投影也可以用于中远距离,如投影仪。

LCD显示器照明器(LCD显示器背光作为照明系统的一部分)

HUD

投影透镜是成像光学系统。

光波导:

光波导利用发生在介质中的多次全内反射来传输光学介质中的光。这种方式几乎允许光弯曲向任何方向,但需要理解由于全内反射产生的限制,以避免光的泄漏。

Lightguide

成像与照明的区别

之前的部分介绍了常见的照明系统,其中有些是成像系统,有些是非成像照明系统。成像光学系统如摄影物镜,会形成一个物体的图像。关于成像系统和序列模式的完整讨论, 可以点击此处,参阅另一个学习路径

非成像系统,顾名思义,不会将物或像作为设计方法的考虑范围,与成像系统有着根本区别,但二者都是照明仿真中的有用概念。

成像理论在照明系统中的应用

有实像的系统可能是摄影镜头,也可能是投影仪。如果像直接投影到屏幕上,我们可以把光线从物方传播到屏幕来实现照明。

Double Gauss
Projection

投影仪成像系统与摄影镜头还是有些不同,例如它利用透镜的远心性来提高物光分布的均匀性。但光线追迹的思路仍能对照明系统设计有一定程度的启发。

上面的例子都是针对实像的,然而也有使用虚像的照明系统。目镜、定位仪、平视显示器等都是使用虚像的成像系统,尽管与照明没有直接联系,但都含有照明组件。例如,对于平视显示器,照明对象(通常是LCD)向眼睛投射虚像,虚像的亮度取决于光是如何从LCD传到我们的眼睛的。如果不仔细考虑其中的逻辑,我们最终得到的平视显示器图像则可能是不均匀的,或者我们转动头部时看到的图像会产生变化。

一些照明系统中使用了成像系统的理论和技术,下面是常见的实例和概述:

临界照明:

光源在被照明区域成像,可以被认为是照明系统的一种形式。这种形式被称为临界照明。由于光源直接成像到被照明的表面,所以光源的均匀性(或不均匀性)将直接影响到所得照明效果的均匀性。因此临界照明系统最好与均匀性高的光源一起使用。对于需要控制像差的投影系统,投影透镜还需要在它和光源像之间留出适当空间。

Critical illumination

上图是一个临界照明系统,光源通过一个聚光镜成像在中间像面上,再利用投影镜投射到屏幕上。前半部分边缘光线(红实线)从光源中心追迹到聚光镜的孔径边缘,再追迹到中间像面的中心。后半部分边缘光线(红虚线)可以从中间像面的中心追迹到投影镜头孔径边缘,再追迹到照明目标的中心。前半部分主光线(蓝实线)可以从光源(物)的边缘追迹到聚光镜的中心,再追迹到中间像面的边缘。后半部分主光线(蓝虚线)从中间像面边缘追迹至投影镜头中心,再追迹至照明目标的边缘。

请注意照明屏幕的概念是如何用成像和光线追迹的理论来表达的。使用性能良好的聚光镜、性能良好的投影透镜和分布均匀的光源,临界照明可以实现非常好的效果。

科勒照明系统:

科勒照明是一种典型的用于非均匀光源的照明系统,典型的非均匀光源如灯丝和灯泡。临界照明系统的限制是照明均匀性依赖于光源中间像面的均匀性,任何不均匀都会直接反映在最终成像效果上,而科勒照明则在聚光镜和投影镜上都使用完全散焦的图像。

Köhler illumination

如上图所示,光源通过聚光镜(蓝色、红色实线)成像到投影镜上,聚光镜在通过投影镜成像到被照明表面上(蓝色、红色虚线)。前半部分边缘光线(红色实线)从光源(物)的中心追迹到聚光镜的孔径的边缘,再到中间像面的中心。而这个中间像面恰好处在投影镜处。后半部分的边缘光线(红色虚线)可以从聚光镜的中心追迹到投影镜的边缘,然后追迹到照明目标的中心(屏幕)。前半部分主光线(蓝色实线)可以从光源(物)的边缘追迹到聚光镜孔径中心,再到中间图像的边缘,在这个系统中恰好是投影镜的边缘。后半部分主光线(蓝色虚线)从聚光镜的边缘追迹至投影镜的中心,然后追迹到被照明目标的边缘。注意,边缘光线和主光线没有连接,红实线与红虚线也没有连接,蓝实线和蓝虚线也没有链接。也就是说边缘光线和主光线在聚光镜和投影镜没有连接。这解决了光源不均匀性的问题,因为光源的图像没有直接成像在被照明表面上。

抛物面和椭球面反射器

抛物面反射器用于准直点光源发出的光,因此可以利用另一个透镜形成一个像点。

Paraboloid reflector

椭球反射器是一种将光源的光收集到一点的方法。如果我们把光源放在椭球的一个焦点上,则光源就会成像到另一个焦点。

Ellipsoidal reflector

从图中我们可以看出,入射到反射镜上的光线,会以预期的方式定向传播或者聚焦。图中未标出的光源向左出射的光都不会打到反射镜上,即被浪费掉了。

虽然上述例子都在照明系统中应用了成像理论,但这并不是照明系统设计的常规方法。但当非序列模式光线追迹不可用时,成像理论是设计光线分布的唯一方法。虽然成像系统也可以用于照明,但是也没有必要为了照明而特地去使用,取而代之的是使用非成像系统。无论什么方法,不同的照明设计都要采取不同的思路和不同的工具(虽然大体上都是非序列模式追迹)。

非成像光学系统入门

非成像光学系统是光学系统的一个子集,与成像光学系统相比,它的目的不是为了获得物体的图像,而是控制光在光源和被照明物体间的传输。换句话说,非成像光学系统和照明光学系统试图实现光从光源到被照明物体上期望分布的最佳传输方式。

传统光学一直是成像光学,设计时通过追迹少量光线计算焦距等一阶参数、利用赛德理论计算三阶像差等。尽管这些过程涉及大量计算,但只需要追迹少量光线就能得出结果。

Nonimaging optics

非成像光学中点A和点B之间没有严格的关系,我们在引导光线到达想要的位置时拥有更多的自由。非成像光学的约束和限制较少,然而这也意味着为了准确描述非成像系统的性能,我们需要追迹大量的光线。这种“非解析”性质的计算,如“吞吐量”、“光学效率”、“光学均匀性”,会使优化过程更抽象、更不可控。然而目前计算机的计算能力,短时间内追迹数百万甚至数十亿光线也是可行的。这极大地帮助了非成像照明系统的发展。

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