ZEMAX深度剖析：照明系统的定义、概念与拓展应用

在这篇文章中，我们将介绍有关照明系统的定义和概念，并对其进行扩展。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。
 

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
• 太阳和其他黑体辐射源（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）

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。
 

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。

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。

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。

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。

LED 照明

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 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）

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。

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