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LED光源近场光学分布测试浅述

2017-01-25 10:16
汉水狂客
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LED光学设计是照明产品非常重要的一个环节,在光源近场测角光度仪问世之前,对于一次光源的模型只能靠光学设计工程师的本事与仿真软件进行“理论建模”。由于理论建模与实际模型存在差异,这样的建模方式存在两大问题,一是透镜多半需要重复开模,费用昂贵;二是产品开发时间长。因此,光源近场测角光度仪的问世,是赐给光学设计工程师最好的礼物。近些年,随着我们对LED产品光学品质的要求越来越高,对于光源近场光学分布模型的需求也不断地在增长,无论是LED光源制造商还是透镜生产厂商,都需要光源的光学分布模型。那么,什么是光源近场光学分布模型?如何利用光源近场测角光度仪获得近场模型?近场测试可生成什么类型的文件以及如何利用这些生成的各种文档?另外,对于不常规的灯珠,例如大功率模组、裸晶、5面发光的CSP等光源,又可如何处理?本文将会一一为您解答。

1. 光源近场光学分布模型及测试原理

目前在LED光学设计过程中,一般采用两种模型对光源进行模拟,分别是“光源远场模型”和“光源近场模型”。在了解光源近场模型之前,先简单介绍大家熟悉的光源远场模型。

光源远场模型是将光源看作一个点光源,所有光线从同一个点出射,一般情况下点光源的出光是各向同性的。光源远场模型由远场分布光度计测得,分布光度计通常包含一个用于支承及定位被测光源的机械结构(转台)和光度探测器。根据CIE70的要求,在测量时光源和探测器的距离需要足够远(一般要求测量距离应至少为LED光源最大发光口面的5倍),此时光源可被认为是点光源。

对于LED光源,特别是白光光源,由于电极设计、芯片结构以及荧光粉涂敷方式等影响,其表面的亮度和颜色并不是均匀分布的。如图1所示,可看出每颗芯片的亮度以及光源表面的颜色分布并不完全一致。对LED光源进行二次光学设计,采用远场模型获取的光源信息比较粗糙,不能准确反映LED光源表面的亮度、色度空间分布差异等问题,难以对光源实现精确的二次光学设计。因此准确测量光源自身的发光模型对光学设计和模拟结果的准确性至关重要。


a) 真彩图                           b) 伪颜色图

图1 白光LED光源表面亮度分布图

也就是说,与光源远场模型最本质的区别是,光源远场模型是将光源看作一个点光源,而光源近场模型则是将光源看作一个复杂的面光源。光源的形态用平面来表示,所有光线从光源的表面出射。近场模型更接近LED光源的实际出光情况,测量可获得所测平面内各点的亮度、色度值,为LED光源的光学设计提供更为准确、详尽的数据。

光源近场模型可以由近场分布光度计测得。如图2 a)所示,近场分布光度计由分布光度计和成像亮度计组成,成像亮度计代替分布光度计中的光度探测器。成像亮度计采用二维光学接收元件(如CCD),一次取样可以实现所测平面内各点的亮度值的测量。近场分布光度计中的成像亮度计面对被测LED光源,直接接收LED光源的光线束。由被测光源发出的光束都具有可测量的与距离无关的亮度值,通过测量被测LED光源表面各发光点在空间各个方向的亮度值,用光线追踪的方法可准确地得到LED光源的每一个平面的照度分布、空间光强分布和总光通量等光度参数,而且与测试距离、方向或LED表面的曲率半径无关。如果要测量色度信息,成像亮度计换成成像色度计即可得到LED光源空间色度分布。

如图2 b)所示,测量过程中光源可绕着自身机械轴转动,成像亮/色度计从空间各个角度拍摄光源影像,每个指定角度的测量结果都包含亮度和颜色信息,构建光源亮度和色度输出的三维空间图像。测量结束后,测量软件将这些图像整合为描述光源亮度和色彩分布的近场模型,并以光强形式给出,光强I(x,y,z,θ,φ)是位置(x,y,z)和角度(θ,φ)的函数。如果进行了色彩和光谱测量,这个函数还会包含色坐标值或光谱。光源近场模型可生成射线集,用于光学设计和外推光源的远场分布。


图2 a) 近场光学分布光度计结构示意图   图2 b) 近场光学分布光度计原理示意图

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