照明设计的性能指标

本课程介绍了照明系统的基础知识,特别是照明系统的性能目标。本课程是照明系统基础学习路径的一部分。本课程会指引您了解“如何完成良好的照明设计?”。本课将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。

作者 Katsumoto Ikeda

简介

本课是照明基础的第三节课,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。学习本课后,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。

Photomic luminous efficiency

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。

  辐射度量 光度量
术语 符号 名称 单位 名称 单位
通量 Φ 辐射通量 瓦特 (W) 光通量 流明(lm)
通量/面积 E 辐射照度 瓦特/平方米 光照度 流明/平方米或 勒克斯
通量/立体角 I 辐射强度 瓦特/球面度 发光强度 流明/球面度或 坎德拉 (cd)
通量/面积⋅立体角 L 辐射亮度 W/m²⋅sr 光亮度 流明/平方米⋅球面度或坎德拉/平方米或尼特

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。

Schematic diagram of photometric units

想要了解光源的更多信息请点击: PencilofRays.com

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

TOF - angular uniformity system

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

Fly-eye for digital projector - surface uniformity systems

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

CIE 1931 colour space

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 CxCy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。

KA-01820

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