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光学设计和照明设计,傻傻分不清楚?

云知光照明微课堂2022-08-19 09:01:01


进击的设计小白

大神能不能帮我算算,我这个路(房间,办公室)要布多少灯? 啊?我这个灯不合适啊? 大神教教我下要怎么改这个灯啊?


这是各个照明相关群中几乎每天都会出现的对话。先不谈怎么去做,首先我们要先认识问题,然后才能去找解决方法。


今天就来谈谈这个简单而又常见的问题:如何区分当下遇到的情况是属于光学问题还是照明问题?或者说,我该用光学软件(例如 Tracepro 或 Lighttools 等)还是照明软件(例如 Dialux 或 AGI32 等)来解决?


与光学设计从业者谈论到“光学设计”,通常指的是镜头设计,ZEMAX,即对应成像光学;谈论到“照明设计”,则指的是非成像光学,包括 LED 的一次,二次光学设计,投影光机的前半段等等。


但是,如果大家与照明,电气相关从业者去聊聊,他们概念中的“照明光学”是灯光设计,是 DIALUX 仿真。“照明”这一词比较容易产生歧义,就如同大部分光学专业毕业生工作后对于“干涉”一词的重新认知一样。那么,怎样区分比较合理呢?


我认为这可以从软件计算的底层基础来讲一讲。成像类的光学软件(ZEMAX,CODEV 等)是基于序列光线追迹的运算,计算设定的各个视场抽样光线的光程,出(入)射角度,达到像面的位置等,由此获得反馈数据,进而迭代修改参数化的各元器件;


很拗口是吧?附带不严谨大白话名词解释参考(公共场合慎用):


序列光线----就是有规律的光线,这些光线的选取符合某些抽样规律。


追迹----就是 Tracepro 的那个 trace 的中文翻译,理解成跑次运算就行了。。。


视场----比喻为耳濡目染的“长焦”、“广角”,对应的就是小视场和大视场


参数化----用半径,口径等具体数具来描述一个玻璃镜片,改变数值的时候玻璃形状也会随之发生变化(划重点!理由以后再讲);


参照下图:

▲ZEMAX中一个玻璃镜头的2D截面图,图片来自网络


非成像类光学软件(Tracepro 或 Lighttools 等)是基于大量非序列光线的运算,统计等能量光线落在评价面上的概率分布,由此获得反馈来迭代修改参数化的各元器件;


大白话名词解释:


非序列光线----与上文的序列光线对应,指没有规律,随机生成的光线,你们常听说的什么蒙特卡洛方法,其实指的就是一种形成随机的方式。。。


评价面----特定位置的平面或曲面,我们关心其上面的照度分布,例如各照明标准中的工作面等。


在非序列光学软件中,评价面通常会被划分为一个个很小的网格,大量无序的随机光线经过系统后,会落在这些网格中,落入的光线数量越多,表示该网格获得的能量就越多,表现为照度较高,然后综合所有网格的照度数据,就形成了照度分布图。


参照下图:


▲Lighttools 中一个 LED 带二次配光系统的 3D 视图,图片来自网络


照明设计软件(DIALUX等)是基于发光物体的配光曲线,计算各个表面的照度分布,获得反馈数据,进而修改布灯方法或者更换灯具。


这个大家都很熟悉了,就不解释了。


示意图如下:


从以上分析我们可以看到,光学类软件的最小计算单元是光线,照明类软件的最小计算单元是配光曲线。


那么什么是配光曲线?其计算原理是否是和光学设计中的光线追迹类似?


配光曲线我们都不陌生,但是这里还是要深入讨论一下。简单的搜索我们就能获得配光曲线的定义:它是指光源(或灯具)在空间各个方向的光强分布。


不大好理解?没关系,我们先来看看这玩意怎么测,通常搞清楚出处就很好理解了:



这是照明行业中最常用的测量配光曲线的分布式光度计示意图,除去配电柜和电脑桌,那一团黑乎乎的东西就是光度计主体----光具座,它的作用是使灯具可以沿任意角度旋转;隔了 5 堵墙后面有个支架,那里是一个照度计。


因此它的原理也很简单:通过灯具旋转,测量照度,反算出各个角度上的亮度,获得上文定义中的光强分布。那么,通过照度来计算亮度的原理依据是什么?


翻开教科书,原文如下:


这里涉及到《光度学》中的重要概念:照度距离平方反比定律,即E=I/R²,其中 E 为照度,I为亮度,R为光源和测试点的距离。


一切似乎都很简单,但是仔细看下这个公式的上下文,有这么一个使用前提:点光源,这是一个针对点光源才严格正确的公式。


那我什么时候才能使用或者近似使用这个公式?判定依据引用原文:“圆盘形发光体直径不大于照射距离的 1/5,线状发光体长度不大于照射距离的 1/4”


这样也很好理解为什么分布式光度计的示意图中的照度计要放置离光具座那么远:尽量使被测灯具近似为点光源。


同样的道理,上文概念中提到,区分的光学问题与照明问题的关键在于是否基于配光曲线计算,基于配光曲线计算的为照明设计,基于光线追迹的为光学设计(分为成像与非成像)。


而是否应当使用配光曲线计算(即光学问题与照明问题的分界线)则应参考照度距离平方反比定律的使用限制范围:即光源能否近似为点光源。


理解了配光曲线的原理与应用限制后,我们可以回答另外两个常见问题:

第一个在照明群中常见问题的情景:



进击的小白

谁能帮忙给个这样的面板灯的配光文件?谢谢



大神

给,不用谢,


进击的小白

大哥我这面板灯是方的啊,你怎么给我个圆的???


大神

。。。。。。

 大神卒。


一句话解释:既然配光曲线在测试时候,灯具已经被近似为点光源,那么这个灯具本身是圆的方的扁的还有什么关系。。。?配光曲线与灯具外形无关。


另一个问题是光学工程师从成像转入非成像设计(通常为LED二次配光)时经常遇到的问题:我能不能基于配光曲线做光学设计?


很明显,配光曲线是远场数据,通常都不适用于与光源非常接近的非成像光学设计。正确方法是使用 RayData,即近场光线分布数据,通常来说大厂的 LED 在其官网上都能下载到。


▲Cree 官网列出的某款 LED 的 raydata 下载页面


回到最初提出的问题。一个场景中布多少灯,灯具本身大小相对于应用场景来说,是一个小量,灯具可以近似认为是点光源,因此属于照明问题,可使用 DIALUX 仿真计算。


而改灯具,是在一个灯具的尺度范围内的设计,光学器件与光源的相对位置非常近,此时光源不可视为点光源,因此属于光学问题,需要在 Tracepro 或 Lighttools 中进行设计。



许超

高级光学工程师

上海广茂达光艺科技股份有限公司



声明

作者:许超

本文为特约投稿原创文章,谢绝任何形式的未授权转载。如需转载,请联系小小明,微信号:Dennis-LM。    



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