在非成像光學(non-image optics)設計領域中,尤其是LED照明設計,往往在設計之初,需要判斷設計與分析的模型是歸 屬在遠場(far field)或是近場(near field)的應用,兩者的差異,會決定后續的非成像光學透鏡設計和開發上的精確度, 尤其是近場設計的非成像光學透鏡,仿設計和實際成品的光學結果會差異頗大。遠場和近場的概念,當前在已知的科學文獻上並無很明確的定義。 要理解遠場和近場的概念,最簡易的比喻,舉恆星光源為例,恆星光源直徑動輒100萬公里長,光源量級非常的巨大,但當距離 拉到了遙遠遙遠的地方,人們望向夜空,恆星已然等同於點光源發光的星宿,如下圖所示。
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圖一 近場光源和遠場光源的比喻示意圖 |
把該概念延伸到非成像光學設計,尤其是透鏡設計,此時,絕大多數的應用,會有一個(或以上)的光源,以及一個(或以上)的透鏡
做為非成像光學模型,概念具體來比喻,當光學透鏡距離愈接近光源位置,同時透鏡尺寸愈接近光源大小,此時近場特性會愈
來愈強(光源是有尺寸效應);相對的,當光學透鏡距離光源位置愈遠,加上透鏡尺寸遠大於光源,此時遠場特性就會非常強(光源接近點光源)。
當前學界和業界對於近場和遠場的界定,並沒有很明確的理論和計算的公式;根據大量的經驗總結,業內人員得到
了很粗略的區方式,當透鏡距離和尺寸大小,超過光源尺寸15倍以上,此時視作是遠場應用設計會挺恰當;小於15倍時,光學
模型有必要開始小心的設置和確認,和實際成品的光學效果的差異。
當光學元件,例如二次光學透鏡,和光源,例如LED光源,兩者之間的距離是很接近的,二次光學透鏡的尺寸也很小,符合前述
小於光源尺寸15倍的範圍,此時近場光學特性會明顯;此時在光源設置,建議是選擇量測式光源檔,此為近十年來,大家公認的相對
精確的光源建模方式。
圖二為一款具Fly-eye微結構的TIR透鏡的舉例,Fly-eye業界通稱複眼或珠面,此工藝在傳統光學設計是非常常見的,廣泛用於第二
件光學件或第三件光學件出光面的微結構排列;Fly-eye應用於LED照明的TIR透鏡的出光面,具有勻光效果,同時也能把光斑做轉換,該
理論架構是建立在折積(convolution)的轉換關係,簡單說明,LED如果先聚光成小角度,經過不同的Fly-eye微結構的光斑折積之
后,會變成另外一種形態的光斑形態;常見在LED照明的TIR透鏡,是應用六角形排列(hexagonal),如圖二的圖左所示。
在2007年~2009年之間,當時LED照明剛初起步,每瓦流明不高,而且高功率LED價格昂貴,如何做到精確的TIR透鏡的設計與開發,是當
下很熱門的課題;業界諸多工程人員,初期並無意識到,TIR透鏡的尺寸和距離已經非常接近15倍以內,該光學模型是具有近場特性的,在那
時空,近場光學的應用經驗甚少,當時非常多人相信使用空間切趾或點光源理論,可以做到精確的光學仿真,直至大家普遍意識到近場特性
而改採量測式光源檔,才讓TIR透鏡設計在業界整個普及開來,在2014年以后,成為一個極為成熟的非成像光學工藝產品。
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圖二 近場光源應用實例 - 具Fly-eye微結構的TIR透鏡 |
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遠場光學應用,最適合舉例說明,是使用照明業界非常知名的照明設計軟件 - Dialux,Dialux是免費下載使用的強大的照明設計軟件,包括了室內照明、戶外照明、體育運動照明、道路照明以及
其他特殊照明,都能見到Dialux的身影;Dialux軟件收費是在於燈具廠商,燈具廠商把用配光曲線儀量測到的IES檔*匯入,視作為點光源,該IES檔或許是燈具或燈源的量測值,但在Dialux
軟件中,他是把該燈具或燈源已視作是遠場應用,所以光源自身的幾何大小已不會對遠場結果有影響。
*Dialux有支援多種檔案,其中IES和LDT是比較常用的量測儀器可以輸出,或是仿真軟體可以轉出的光強分佈檔案格式。
圖三是把IES格式的光強分佈的檔案,導入到Dialux軟件中;此光強分佈就等同於該燈具發出的光的效果(在軟件中視作是光源),那麼,在Dialux中,可以隨意按
設計者的意思擺設該光源(相當於擺設燈具),在適當的設置時,舉例,此處是做某洽談室的室內的燈具配置以及照度分佈的效果,如圖四的照度分佈結果。
在完成整個照明設計之后,在Dialux裡可以rendering該照明設計的效果圖,如圖五所示;此為一項簡易的利用遠場概念來做室內照明規劃的設計以及應用的範例。詳細 對於Dialux軟件有興趣的讀者,可以進一步拜訪Dialux官方網站,取得更多的詳細資訊。
*Dialux是知名的照明設計和分析的軟件。