如何用多波长近场光线集准确模拟光源系统

如何用多波长近场光线集准确模拟光源系统

随着LED等新型光源技术的发展，在各个领域里面得到广泛应用，而对于高端照明，如何得到一个优化的灯光效果通常需要用近场光线集进行光学模拟灯具设计效果；常见的白光LED光源的光线文件通常基于近场的两个波长区域的测量，一个在蓝色区域，一个在黄色区域。此数据可用于描述光线的基本效果，例如在使用LED芯片中遇到的角度-颜色偏移。然而，仅有两个波长区域近场测量的数量太少，限制了在使用这些数据模型去模拟真实情况的场景。特别是对于小型的光学系统中，比如车灯照明，光源的尺寸在整个光学系统相对较大，光源模型需要多的细节，比如更多光谱通道的近场数据；

光学模拟的目标是尽可能真实地对系统进行建模和仿真。也就是需要更真实的“光线”信息，光线与许多物理量相关联，它包含一组在空间中的坐标和传播方向，同时也经常包括辐射或光通量值信息。对于一个完整的光源模型，每条光线都需要与波长相关联，光线集包含的光线也需要能表示光源的光谱。基于这种光线集才可以精确地模拟折射和色散效应。同时也能评估出射光分布的光谱，并从光谱中导出诸如颜色坐标或显色指数等信息。

例如，考虑一个典型的白光LED封装，该封装由一种或多种颜色的led芯片组成，并与发光涂层结合在一起。蓝色LED芯片的蓝光通过涂层转换成更高波长，红色LED芯片可用于调节该封装发射光谱的色温和显色指数。

这种封装出射光线的光谱形状会随着观察角度变化。不同观察角度下光谱的蓝色与红色峰值的比率会变化，此外，光谱也随着观察位置随着接近蓝色或红色芯片而变化。这些特征需要在光线数据中体现。

如今，光源的光谱特性在光线集中的细节程度仍有不足。一种常见的光源测试方式是使用两个光谱滤光片测量光源，一个测蓝色，一个测黄色，并产生包含两个代表性波长的光线集。虽然这样可能足以模拟某种程度的色散，并解释随角度产生变化的光谱，但仍不足以准确模拟出射光的颜色特性。

另一个方法是将三刺激值x、y、z包含在每条光线中。这可以模拟出色坐标，但不能用于模拟光学系统中的色散效应或CRI这样需要从光谱中导出的参数。

目前，光源模型缺乏足够的数据全面描述光源的光谱特性。本文旨在介绍德国Opsira公司生产的多光谱近场测试仪，生成的光线模型细节。下面的例子中，一个多芯片白光LED用于一个光学系统，使用了TIR器件和一个聚光镜用于颜色混合。并将模拟混色后的色度参数与实际测量值进行了比较。

测量和仿真

用于测量和模拟的LED样品如图1所示。这张照片显示了LED封装的发光面和4个LED芯片的连接线，一个红色LED和三个蓝色LED。测量时，LED安装在图1中的测角装置上（见灰色箭头）。

图一：测试装置和芯片

芯片的位置如图2所示，显示的是用不同带通滤波器拍摄的辐射图像。左边的图片是用蓝色滤光片拍摄的曝光图片，它显示了三个蓝色芯片的位置。中间的图像是用红色的滤光片拍摄，它显示了红色芯片的位置以及从顶部发出的光辐射。右边的图片显示了用灵敏度v（λ）滤波器拍摄的图像，它包含整个芯片封装出射光线的所有光谱。

图二：使用不同滤波器拍摄的图像

图3显示了不同观察角度的发射光谱。当从顶部（角度=0°）观察时，光谱的红色峰值超过蓝色峰。但在靠近红色LED芯片位置观察，随着视角的增加，光谱的形状会发生变化，蓝色峰超过红色峰值。

图三：不同角度的光谱

类似于这样的发光特性需要体现在光线数据中：出射光谱在同角度不同位置的变化，以及光谱受角度的影响。为此，使用了图4所示的一组带通滤波器来拍摄样品亮度图像。

图四：测量光线使用的带通滤光片

图四中显示了滤光片的归一化传输特性曲线，测量距离离样品上相等。对于每个滤波器拍摄辐射图像并生成一个独立光线数据集。

选择带通滤波器不仅要考虑光学分辨率，还要有良好的透光性，透光性会影响相机的曝光时间，从而影响测量的总时间。根据不同的目标，可以使用不同的滤光片组合。这里用于测量的滤光片包含三激励滤波器x、y、z，并补充额外的5个带通滤波器。

为了对样品进行完整的模拟，用安装在测角装置上的光谱辐射计记录样品的发射光谱。光谱辐射计记录的数据间隔5nm，然后对样本上方所有观测点数据进行汇总。这样得到了波长间隔5nm样品的辐射通量数据文件。图5显示了记录的辐射通量情况。

图五：辐射通量

图6是使用”光线集”数据建模的光学系统。它由LED封装、准直和聚光光学元件组成。该系统设计的目的是在屏幕上产生均匀的照明分布，并确保整个屏幕的颜色坐标保持恒定。在模拟中，屏幕设置在距离LED封装1米处。

图六：光学系统（1）LED封装（2）准直部分（3）聚光部分

从图7可以看出来在没有聚光镜情况下对实际光斑光谱的测量情况。光线准直后在屏幕上产生的光分布反映了非均匀LED芯片在封装中的分布。图7插入的小图是光斑的照片。测量点1-9记录了光谱。两个测量点之间的距离为5厘米。这些测量点也用于图八中。屏幕的很大一部分是蓝色LED发出的光，屏幕的较小一部分（右上角）主要由红色LED照亮。光谱被按红色峰的高度归一化，以显示当测量点从屏幕上的蓝色区域转到红色区域时，蓝红比是如何降低的。

图七：无聚光镜测量的实际光谱

我们采用两组不同的“光线集”数据来建模，以对比不同模型的差异。

在一组数据中，我们使用仅依赖于用v（λ）滤波器拍摄的亮度图像的光线数据。这个光线数据补充图5所示的频谱数据，以模拟光斑上的分布。仿真结果如图8所示。因为光线数据基于v（λ）滤光片，没有不同颜色LED芯片光谱的信息，它无法再现光分布的颜色变化，在光斑不同位置的光谱形状都是一样的。图8的插图就是模拟的光斑分布。图像中的轻微不均匀是由于不同的统计数据造成的，在模型中，图像的中心使用了更多的光线。

图八：光学模拟

为了改善这种情况，通常的做法是为一个led封装提供两个光线数据集，一个用于蓝色光谱区域，另一个用于黄色光谱区域，然而在模拟结果中还是有很大的局限性。

第二组数据基于七个光线数据集，这些光线数据集使用了图4的滤光片，还使用了图5所示的辐射数据。仿真结果如图9所示。模拟的光谱再次按红色峰被归一化。与一组只依赖v（λ）滤波器的模拟不同，这次模拟准确地再现了光斑不同位置的光谱变化。

图九：仿真结果

下一步实验中，光学系统增加聚光透镜进行扩展。模拟结果再次与测量结果进行了比较。图10为实际光学系统光斑不同位置的光谱测量情况。光谱形状以及对光谱的积分（亮度）在光斑上分布保持不变。只有在光分布的边缘（点1和点9），光谱才偏离其均匀分布。这种情况可以被模拟准确地再现，如图11所示。

图十:加聚光镜实际测试结果

图十一：加聚光镜仿真结果

现在，我们将使用的光源模型的数据用来计算色坐标和显色指数。在例子中，仅用v（λ）滤波器进行的模拟不能重现光的分布情况，屏幕区域色温4800 K。在使用七个带通滤波器测试的第二组数据模拟例子，计算结果如下图12。 

图十二：模拟结果色温在2400 K和5900 K之间，Ra值在92到86之间

由于在整个发光半球上采集了光线数据，并整合进了详细的光谱信息，模拟结果与实际测量情况符合一致。

结论

使用新技术建立的光源模型在光学模拟中能真实表现光线在空间分布中的光谱和颜色况。与使用蓝色/黄色或基于三刺激值滤波器相比，它显著地扩大了模拟中可呈现的细节，这种技术的优点是建立精确的光源模型，尤其是对于光谱会随着位置与角度变化较大的光源。

这种光源通常出现在白色LED封装或有多个不同颜色LED芯片组成的封装中，还有些情况，即使使用同类型的LED，它们的发射光谱也可能因制造过程中的变化而变化。针对所有情况，在应用中仍可以准确模拟出光分布的颜色坐标和显色指数。

文中使用仪器为德国Opsira的多光谱近场测试仪

Gonio 2π光源近场测试系统

Gonio 4π光源近场测试系统

参考文献：Spectral Raydata for Simulation of Color Rendering Indices