如何用多波長(zhǎng)近場(chǎng)光線集準(zhǔn)確模擬光源系統(tǒng)

隨著LED等新型光源技術(shù)的發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域里面得到廣泛應(yīng)用，而對(duì)于照明，如何得到一個(gè)優(yōu)化的燈光效果通常需要用近場(chǎng)光線集進(jìn)行光學(xué)模擬燈具設(shè)計(jì)效果；常見的白光LED光源的光線文件通常基于近場(chǎng)的兩個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域的測(cè)量，一個(gè)在藍(lán)色區(qū)域，一個(gè)在黃色區(qū)域。此數(shù)據(jù)可用于描述光線的基本效果，例如在使用LED芯片中遇到的角度-顏色偏移。然而，僅有兩個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域近場(chǎng)測(cè)量的數(shù)量太少，限制了在使用這些數(shù)據(jù)模型去模擬真實(shí)情況的場(chǎng)景。特別是對(duì)于小型的光學(xué)系統(tǒng)中，比如車燈照明，光源的尺寸在整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)較大，光源模型需要多的細(xì)節(jié)，比如更多光譜通道的近場(chǎng)數(shù)據(jù)；

光學(xué)模擬的目標(biāo)是盡可能真實(shí)地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。也就是需要更真實(shí)的“光線”信息，光線與許多物理量相關(guān)聯(lián)，它包含一組在空間中的坐標(biāo)和傳播方向，同時(shí)也經(jīng)常包括輻射或光通量值信息。對(duì)于一個(gè)完整的光源模型，每條光線都需要與波長(zhǎng)相關(guān)聯(lián)，光線集包含的光線也需要能表示光源的光譜。基于這種光線集才可以地模擬折射和色散效應(yīng)。同時(shí)也能評(píng)估出射光分布的光譜，并從光譜中導(dǎo)出諸如顏色坐標(biāo)或顯色指數(shù)等信息。

例如，考慮一個(gè)典型的白光LED封裝，該封裝由一種或多種顏色的led芯片組成，并與發(fā)光涂層結(jié)合在一起。藍(lán)色LED芯片的藍(lán)光通過涂層轉(zhuǎn)換成更高波長(zhǎng)，紅色LED芯片可用于調(diào)節(jié)該封裝發(fā)射光譜的色溫和顯色指數(shù)。

這種封裝出射光線的光譜形狀會(huì)隨著觀察角度變化。不同觀察角度下光譜的藍(lán)色與紅色峰值的比率會(huì)變化，此外，光譜也隨著觀察位置隨著接近藍(lán)色或紅色芯片而變化。這些特征需要在光線數(shù)據(jù)中體現(xiàn)。

如今，光源的光譜特性在光線集中的細(xì)節(jié)程度仍有不足。一種常見的光源測(cè)試方式是使用兩個(gè)光譜濾光片測(cè)量光源，一個(gè)測(cè)藍(lán)色，一個(gè)測(cè)黃色，并產(chǎn)生包含兩個(gè)代表性波長(zhǎng)的光線集。雖然這樣可能足以模擬某種程度的色散，并解釋隨角度產(chǎn)生變化的光譜，但仍不足以準(zhǔn)確模擬出射光的顏色特性。

另一個(gè)方法是將三刺激值x、y、z包含在每條光線中。這可以模擬出色坐標(biāo)，但不能用于模擬光學(xué)系統(tǒng)中的色散效應(yīng)或CRI這樣需要從光譜中導(dǎo)出的參數(shù)。

目前，光源模型缺乏足夠的數(shù)據(jù)全面描述光源的光譜特性。本文旨在介紹德國Opsira公司生產(chǎn)的多光譜近場(chǎng)測(cè)試儀，生成的光線模型細(xì)節(jié)。下面的例子中，一個(gè)多芯片白光LED用于一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，使用了TIR器件和一個(gè)聚光鏡用于顏色混合。并將模擬混色后的色度參數(shù)與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行了比較。

測(cè)量和仿真

用于測(cè)量和模擬的LED樣品如圖1所示。這張照片顯示了LED封裝的發(fā)光面和4個(gè)LED芯片的連接線，一個(gè)紅色LED和三個(gè)藍(lán)色LED。測(cè)量時(shí)，LED安裝在圖1中的測(cè)角裝置上（見灰色箭頭）。

圖一：測(cè)試裝置和芯片

芯片的位置如圖2所示，顯示的是用不同帶通濾波器拍攝的輻射圖像。左邊的圖片是用藍(lán)色濾光片拍攝的曝光圖片，它顯示了三個(gè)藍(lán)色芯片的位置。中間的圖像是用紅色的濾光片拍攝，它顯示了紅色芯片的位置以及從頂部發(fā)出的光輻射。右邊的圖片顯示了用靈敏度v（λ）濾波器拍攝的圖像，它包含整個(gè)芯片封裝出射光線的所有光譜。

圖二：使用不同濾波器拍攝的圖像

圖3顯示了不同觀察角度的發(fā)射光譜。當(dāng)從頂部（角度=0°）觀察時(shí)，光譜的紅色峰值超過藍(lán)色峰。但在靠近紅色LED芯片位置觀察，隨著視角的增加，光譜的形狀會(huì)發(fā)生變化，藍(lán)色峰超過紅色峰值。

圖三：不同角度的光譜

類似于這樣的發(fā)光特性需要體現(xiàn)在光線數(shù)據(jù)中：出射光譜在同角度不同位置的變化，以及光譜受角度的影響。為此，使用了圖4所示的一組帶通濾波器來拍攝樣品亮度圖像。

圖四：測(cè)量光線使用的帶通濾光片

圖四中顯示了濾光片的歸一化傳輸特性曲線，測(cè)量距離離樣品上相等。對(duì)于每個(gè)濾波器拍攝輻射圖像并生成一個(gè)獨(dú)立光線數(shù)據(jù)集。

選擇帶通濾波器不僅要考慮光學(xué)分辨率，還要有良好的透光性，透光性會(huì)影響相機(jī)的曝光時(shí)間，從而影響測(cè)量的總時(shí)間。根據(jù)不同的目標(biāo)，可以使用不同的濾光片組合。這里用于測(cè)量的濾光片包含三激勵(lì)濾波器x、y、z，并補(bǔ)充額外的5個(gè)帶通濾波器。

為了對(duì)樣品進(jìn)行完整的模擬，用安裝在測(cè)角裝置上的光譜輻射計(jì)記錄樣品的發(fā)射光譜。光譜輻射計(jì)記錄的數(shù)據(jù)間隔5nm，然后對(duì)樣本上方所有觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。這樣得到了波長(zhǎng)間隔5nm樣品的輻射通量數(shù)據(jù)文件。圖5顯示了記錄的輻射通量情況。

圖五：輻射通量

圖6是使用”光線集”數(shù)據(jù)建模的光學(xué)系統(tǒng)。它由LED封裝、準(zhǔn)直和聚光光學(xué)元件組成。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是在屏幕上產(chǎn)生均勻的照明分布，并確保整個(gè)屏幕的顏色坐標(biāo)保持恒定。在模擬中，屏幕設(shè)置在距離LED封裝1米處。

圖六：光學(xué)系統(tǒng)（1）LED封裝（2）準(zhǔn)直部分（3）聚光部分

從圖7可以看出來在沒有聚光鏡情況下對(duì)實(shí)際光斑光譜的測(cè)量情況。光線準(zhǔn)直后在屏幕上產(chǎn)生的光分布反映了非均勻LED芯片在封裝中的分布。圖7插入的小圖是光斑的照片。測(cè)量點(diǎn)1-9記錄了光譜。兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的距離為5厘米。這些測(cè)量點(diǎn)也用于圖八中。屏幕的很大一部分是藍(lán)色LED發(fā)出的光，屏幕的較小一部分（右上角）主要由紅色LED照亮。光譜被按紅色峰的高度歸一化，以顯示當(dāng)測(cè)量點(diǎn)從屏幕上的藍(lán)色區(qū)域轉(zhuǎn)到紅色區(qū)域時(shí)，藍(lán)紅比是如何降低的。

圖七：無聚光鏡測(cè)量的實(shí)際光譜

我們采用兩組不同的“光線集”數(shù)據(jù)來建模，以對(duì)比不同模型的差異。

在一組數(shù)據(jù)中，我們使用僅依賴于用v（λ）濾波器拍攝的亮度圖像的光線數(shù)據(jù)。這個(gè)光線數(shù)據(jù)補(bǔ)充圖5所示的頻譜數(shù)據(jù)，以模擬光斑上的分布。仿真結(jié)果如圖8所示。因?yàn)楣饩€數(shù)據(jù)基于v（λ）濾光片，沒有不同顏色LED芯片光譜的信息，它無法再現(xiàn)光分布的顏色變化，在光斑不同位置的光譜形狀都是一樣的。圖8的插圖就是模擬的光斑分布。圖像中的輕微不均勻是由于不同的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)造成的，在模型中，圖像的中心使用了更多的光線。

圖八：光學(xué)模擬

為了改善這種情況，通常的做法是為一個(gè)led封裝提供兩個(gè)光線數(shù)據(jù)集，一個(gè)用于藍(lán)色光譜區(qū)域，另一個(gè)用于黃色光譜區(qū)域，然而在模擬結(jié)果中還是有很大的局限性。

第二組數(shù)據(jù)基于七個(gè)光線數(shù)據(jù)集，這些光線數(shù)據(jù)集使用了圖4的濾光片，還使用了圖5所示的輻射數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果如圖9所示。模擬的光譜再次按紅色峰被歸一化。與一組只依賴v（λ）濾波器的模擬不同，這次模擬準(zhǔn)確地再現(xiàn)了光斑不同位置的光譜變化。

圖九：仿真結(jié)果

下一步實(shí)驗(yàn)中，光學(xué)系統(tǒng)增加聚光透鏡進(jìn)行擴(kuò)展。模擬結(jié)果再次與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較。圖10為實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)光斑不同位置的光譜測(cè)量情況。光譜形狀以及對(duì)光譜的積分（亮度）在光斑上分布保持不變。只有在光分布的邊緣（點(diǎn)1和點(diǎn)9），光譜才偏離其均勻分布。這種情況可以被模擬準(zhǔn)確地再現(xiàn)，如圖11所示。

圖十:加聚光鏡實(shí)際測(cè)試結(jié)果

圖十一：加聚光鏡仿真結(jié)果

現(xiàn)在，我們將使用的光源模型的數(shù)據(jù)用來計(jì)算色坐標(biāo)和顯色指數(shù)。在例子中，僅用v（λ）濾波器進(jìn)行的模擬不能重現(xiàn)光的分布情況，屏幕區(qū)域色溫4800 K。在使用七個(gè)帶通濾波器測(cè)試的第二組數(shù)據(jù)模擬例子，計(jì)算結(jié)果如下圖12。 

圖十二：模擬結(jié)果色溫在2400 K和5900 K之間，Ra值在92到86之間

由于在整個(gè)發(fā)光半球上采集了光線數(shù)據(jù)，并整合進(jìn)了詳細(xì)的光譜信息，模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量情況符合一致。

結(jié)論

使用新技術(shù)建立的光源模型在光學(xué)模擬中能真實(shí)表現(xiàn)光線在空間分布中的光譜和顏色況。與使用藍(lán)色/黃色或基于三刺激值濾波器相比，它顯著地?cái)U(kuò)大了模擬中可呈現(xiàn)的細(xì)節(jié)，這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是建立的光源模型，尤其是對(duì)于光譜會(huì)隨著位置與角度變化較大的光源。

這種光源通常出現(xiàn)在白色LED封裝或有多個(gè)不同顏色LED芯片組成的封裝中，還有些情況，即使使用同類型的LED，它們的發(fā)射光譜也可能因制造過程中的變化而變化。針對(duì)所有情況，在應(yīng)用中仍可以準(zhǔn)確模擬出光分布的顏色坐標(biāo)和顯色指數(shù)。

文中使用儀器為德國Opsira的多光譜近場(chǎng)測(cè)試儀

Gonio 2π光源近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)

Gonio 4π光源近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)

參考文獻(xiàn)：Spectral Raydata for Simulation of Color Rendering Indices