LED光學設計是照明產品非常重要的一個環節，在光源近場測角光度儀問世之前，對于一次光源的模型只能靠光學設計工程師的本事與仿真軟件進行“理論建?！?。由于理論建模與實際模型存在差異，這樣的建模方式存在兩大問題，一是透鏡多半需要重復開模，費用昂貴;二是產品開發時間長。因此，光源近場測角光度儀的問世，是賜給光學設計工程師最好的禮物。近些年，隨著我們對LED產品光學品質的要求越來越高，對于光源近場光學分布模型的需求也不斷地在增長，無論是LED光源制造商還是透鏡生產廠商，都需要光源的光學分布模型。那么，什么是光源近場光學分布模型?如何利用光源近場測角光度儀獲得近場模型?近場測試可生成什么類型的文件以及如何利用這些生成的各種文檔?另外，對于不常規的燈珠，例如大功率模組、裸晶、5面發光的CSP等光源，又可如何處理?本文將會一一為您解答。
1. 光源近場光學分布模型及測試原理
目前在LED光學設計過程中，一般采用兩種模型對光源進行模擬，分別是“光源遠場模型”和“光源近場模型”。在了解光源近場模型之前，先簡單介紹大家熟悉的光源遠場模型。
光源遠場模型是將光源看作一個點光源，所有光線從同一個點出射，一般情況下點光源的出光是各向同性的。光源遠場模型由遠場分布光度計測得，分布光度計通常包含一個用于支承及定位被測光源的機械結構(轉臺)和光度探測器。根據CIE70的要求，在測量時光源和探測器的距離需要足夠遠(一般要求測量距離應至少為LED光源最大發光口面的5倍)，此時光源可被認為是點光源。
對于LED光源，特別是白光光源，由于電極設計、芯片結構以及熒光粉涂敷方式等影響，其表面的亮度和顏色并不是均勻分布的。如圖1所示，可看出每顆芯片的亮度以及光源表面的顏色分布并不完全一致。對LED光源進行二次光學設計，采用遠場模型獲取的光源信息比較粗糙，不能準確反映LED光源表面的亮度、色度空間分布差異等問題，難以對光源實現精確的二次光學設計。因此準確測量光源自身的發光模型對光學設計和模擬結果的準確性至關重要。
a) 真彩圖 b) 偽顏色圖
圖1白光LED光源表面亮度分布圖
也就是說，與光源遠場模型最本質的區別是，光源遠場模型是將光源看作一個點光源，而光源近場模型則是將光源看作一個復雜的面光源。光源的形態用平面來表示，所有光線從光源的表面出射。近場模型更接近LED光源的實際出光情況，測量可獲得所測平面內各點的亮度、色度值，為LED光源的光學設計提供更為準確、詳盡的數據。
光源近場模型可以由近場分布光度計測得。如圖2 a)所示，近場分布光度計由分布光度計和成像亮度計組成，成像亮度計代替分布光度計中的光度探測器。成像亮度計采用二維光學接收元件(如CCD)，一次取樣可以實現所測平面內各點的亮度值的測量。近場分布光度計中的成像亮度計面對被測LED光源，直接接收LED光源的光線束。由被測光源發出的光束都具有可測量的與距離無關的亮度值，通過測量被測LED光源表面各發光點在空間各個方向的亮度值，用光線追蹤的方法可準確地得到LED光源的每一個平面的照度分布、空間光強分布和總光通量等光度參數，而且與測試距離、方向或LED表面的曲率半徑無關。如果要測量色度信息，成像亮度計換成成像色度計即可得到LED光源空間色度分布。
如圖2 b)所示，測量過程中光源可繞著自身機械軸轉動，成像亮/色度計從空間各個角度拍攝光源影像，每個指定角度的測量結果都包含亮度和顏色信息，構建光源亮度和色度輸出的三維空間圖像。測量結束后，測量軟件將這些圖像整合為描述光源亮度和色彩分布的近場模型，并以光強形式給出，光強I(x,y,z,θ,φ)是位置(x,y,z)和角度(θ,φ)的函數。如果進行了色彩和光譜測量，這個函數還會包含色坐標值或光譜。光源近場模型可生成射線集，用于光學設計和外推光源的遠場分布。
圖2 a) 近場光學分布光度計結構示意圖 圖2 b) 近場光學分布光度計原理示意圖
2. 光源近場模型的類型及應用
總的來說，光源近場模型可分為以下幾類：
a. 只包含光源的亮度或輻射度分布信息，不含顏色信息
基本上所有的仿真軟件都支持此類型的光學文件，但是因為沒有顏色信息，不能對光源的顏色進行準確仿真。一般來說，此類近場模型可適用于單色光(亮度)或不可見光(輻射度)光源的測試。香港科技大學佛山LED中心配置的SIG 400可測試波長在350 nm～1000 nm范圍內的光源近場模型，其中即包含了紫外和紅外不可見光的測試。
圖3 只含亮度信息的光源近場模型在專業分析軟件中打開界面
b. 包含亮度和色度(三刺激值)的分布信息，不包含光譜信息
支持此類型的光學文件的仿真軟件有限，例如業界常用的Tracepro光學仿真軟件則不可使用此類型光學文件進行顏色方面的模擬。另外，因每條光線不包含光譜特性，如果照明系統中包含反射或者色散的材料或部件，則無法準確仿真光線的色散效果，難以保證接收器上色度的準確。
圖4 只含亮度、色度(三刺激值)信息的光源近場模型在專業分析軟件中打開界面
c. 包含亮度和色度的分布信息，同時包含光譜信息
目前大多數主流的仿真軟件都支持此類型的光學文件，可以準確模擬光源的色度以及光度的分布情況。而且，如圖6所示，此類近場模型可獲得光源在空間任意位置的光譜分布圖。
圖5包含光譜信息的光源近場模型在專業分析軟件中打開界面
圖6 光源在空間某一位置的光譜分布圖
以上提及的b類和c類近場模型均可利用Tracepro軟件仿真得到如圖7所示的照度(強度量)分布圖，前面也已提到業界常用的Tracepro光學仿真軟件不可使用不包含光譜信息的近場模型文檔進行顏色方面的模擬，但是當含有光譜信息的時候，7.0版本以上的Tracepro軟件即可準確地模擬光源的顏色，兩者的區別可見圖8 a)與圖8 b)，圖中所用光源是暖白LED。
圖7 利用Tracepro軟件仿真得到的照度分布圖
圖8 a) TracePro仿真真彩圖(不含光譜) 圖8 b) TracePro仿真真彩圖(含光譜)
對于用戶而言，可根據自己的需要選擇測量哪種類型的近場模型，香港科技大學佛山LED中心配置的SIG 400含有光譜儀配件，可全面覆蓋以上提及的3種類型的近場測試。那得到的近場模型怎么使用呢?
近場測試得到的近場模型并不能直接應用于光學仿真軟件，需要通過專業光源分析軟件生成對應光學仿真軟件的包含任意光線數量的光線集文檔，方可導入到對應的光學仿真軟件中進行光學模擬，如市面上常用的仿真軟件LightTools、TracePro、 ASAP、FRED、Zemax、LucidShape、Opticad、OSLO、SimuLux、SPEOS等。由于近場模型是光源的完整描述，因此可用它來隨意生成和再生光線集(初步設計時使用較少的光線和最終設計時使用大量的光線)，從而使整體設計過程更為高效。
3. 特殊光源的測試方法
香港科技大學佛山LED中心配備的美國Radiant公司的SIG-400光源近場光學分布測試系統(如圖9)，專為LED燈珠、COB、模組等小光源設計，同時配備了Radiant公司最新版本的專業光源分析軟件ProSource10.2.2，可生成適用于各種主流光學照明設計軟件的光線集。同時對于一些特殊的LED光源，該中心經過自主研究驗證，也可實現精確測量。
圖9 SIG-400光源近場光學分布測試系統 圖10 ProSource光源模型分析軟件
a. LED芯片(裸晶)
對于LED芯片的光學測量，一般分為不帶封裝測量和帶封裝測量兩種類型。如果是不帶封裝測量，和芯片直接接觸的是空氣，而實際LED封裝應用一般會采用硅膠對芯片進行保護及提高光效，芯片出光會受光溢出角的影響，測量的亮度和光通量一般會和封裝后的表面亮度有較大的差別。因此若測試時芯片直接接觸空氣，則不能準確獲得使用情況下芯片的近場光源模型。如果是帶封裝測量，由于封裝的形狀和結構會影響LED本身的出光效果，因此其測量的結果只能對特定的封裝形式有效。
針對以上問題，香港科技大學佛山LED中心對于LED芯片近場測試，提供了一種特定的光源模型結構(如圖11)，通過模擬一種簡單的封裝形式，同時用近場測量設備測其在不同角度的亮度分布，得到光源的近場分布數據。由于玻璃球和折射率匹配液的相關參數已知(折射率十分接近常用硅膠的折射率)，通過逆向追跡方法可以得到LED芯片表面的真實出光情況，繼而可以在光學軟件中模擬任意封裝條件下的出光效果。
圖11裸晶近場測試專用治具
b. 大功率光源(COB或模組)
對于小功率LED，可直接焊在普通的薄鋁基板上即可達到散熱的目的。但對于大功率LED，需要的散熱器比較大，甚至比較厚，因近場測量時樣品與色度計的距離很近，如果樣品的散熱器比較大或厚，亮度計則無法聚焦，進而不能準確測量。為此，香港科技大學佛山LED中心自主研發了一套控溫裝置，可解決大功率LED(高至150W)的散熱問題，進而可實現大功率LED的近場測量。同時，此控溫裝置可控溫度范圍是0～100 ℃，可滿足客戶在指定溫度下測量的要求。
c. 五面發光的CSP光源
目前比較熱門的CSP光源，特別是五面發光的光源，因其體積小，有的產品功率又大，如果焊在傳統的鋁基板上焊線點亮測試，焊點和焊線可能會部分擋光，且會造成一些雜散光。香港科技大學佛山LED中心針對此類型CSP光源設計了一種特殊的散熱板，完美地解決了焊點與焊線的擋光問題以及散熱問題，可更精確地進行近場測量。
光源近場光學分布測試說簡單又不簡單，目前業界并沒有一套成文的測試標準，由于近場模型歸要到底需要跟仿真結合，所以事實上，測試需與仿真“保持通話”，香港科技大學佛山LED中心擁有豐富的測試經驗，需要更多信息請關注以下公眾號。
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