光源近場(chǎng)光學(xué)分布測(cè)試淺述

LED光學(xué)設(shè)計(jì)是照明產(chǎn)品非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在光源近場(chǎng)測(cè)角光度儀問(wèn)世之前，對(duì)于一次光源的模型只能靠光學(xué)設(shè)計(jì)工程師的本事與仿真軟件進(jìn)行“理論建?！薄Ｓ捎诶碚摻Ｅc實(shí)際模型存在差異，這樣的建模方式存在兩大問(wèn)題，一是透鏡多半需要重復(fù)開(kāi)模，費(fèi)用昂貴;二是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)。因此，光源近場(chǎng)測(cè)角光度儀的問(wèn)世，是賜給光學(xué)設(shè)計(jì)工程師最好的禮物。近些年，隨著我們對(duì)LED產(chǎn)品光學(xué)品質(zhì)的要求越來(lái)越高，對(duì)于光源近場(chǎng)光學(xué)分布模型的需求也不斷地在增長(zhǎng)，無(wú)論是LED光源制造商還是透鏡生產(chǎn)廠商，都需要光源的光學(xué)分布模型。那么，什么是光源近場(chǎng)光學(xué)分布模型?如何利用光源近場(chǎng)測(cè)角光度儀獲得近場(chǎng)模型?近場(chǎng)測(cè)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(duì)于不常規(guī)的燈珠，例如大功率模組、裸晶、5面發(fā)光的CSP等光源，又可如何處理?金鑒檢測(cè)工程師將會(huì)一一為您解答。

1. 光源近場(chǎng)光學(xué)分布模型及測(cè)試原理

目前在LED光學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般采用兩種模型對(duì)光源進(jìn)行模擬，分別是“光源遠(yuǎn)場(chǎng)模型”和“光源近場(chǎng)模型”。在了解光源近場(chǎng)模型之前，先簡(jiǎn)單介紹大家熟悉的光源遠(yuǎn)場(chǎng)模型。

光源遠(yuǎn)場(chǎng)模型是將光源看作一個(gè)點(diǎn)光源，所有光線從同一個(gè)點(diǎn)出射，一般情況下點(diǎn)光源的出光是各向同性的。光源遠(yuǎn)場(chǎng)模型由遠(yuǎn)場(chǎng)分布光度計(jì)測(cè)得，分布光度計(jì)通常包含一個(gè)用于支承及定位被測(cè)光源的機(jī)械結(jié)構(gòu)(轉(zhuǎn)臺(tái))和光度探測(cè)器。根據(jù)CIE70的要求，在測(cè)量時(shí)光源和探測(cè)器的距離需要足夠遠(yuǎn)(一般要求測(cè)量距離應(yīng)至少為L(zhǎng)ED光源最大發(fā)光口面的5倍)，此時(shí)光源可被認(rèn)為是點(diǎn)光源。

對(duì)于LED光源，特別是白光光源，由于電極設(shè)計(jì)、芯片結(jié)構(gòu)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(duì)LED光源進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，采用遠(yuǎn)場(chǎng)模型獲取的光源信息比較粗糙，不能準(zhǔn)確反映LED光源表面的亮度、色度空間分布差異等問(wèn)題，難以對(duì)光源實(shí)現(xiàn)精確的二次光學(xué)設(shè)計(jì)。因此準(zhǔn)確測(cè)量光源自身的發(fā)光模型對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)和模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)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(shuō)，與光源遠(yuǎn)場(chǎng)模型最本質(zhì)的區(qū)別是，光源遠(yuǎn)場(chǎng)模型是將光源看作一個(gè)點(diǎn)光源，而光源近場(chǎng)模型則是將光源看作一個(gè)復(fù)雜的面光源。光源的形態(tài)用平面來(lái)表示，所有光線從光源的表面出射。近場(chǎng)模型更接近LED光源的實(shí)際出光情況，測(cè)量可獲得所測(cè)平面內(nèi)各點(diǎn)的亮度、色度值，為L(zhǎng)ED光源的光學(xué)設(shè)計(jì)提供更為準(zhǔn)確、詳盡的數(shù)據(jù)。

光源近場(chǎng)模型可以由近場(chǎng)分布光度計(jì)測(cè)得。如圖2 a)所示，近場(chǎng)分布光度計(jì)由分布光度計(jì)和成像亮度計(jì)組成，成像亮度計(jì)代替分布光度計(jì)中的光度探測(cè)器。成像亮度計(jì)采用二維光學(xué)接收元件(如CCD)，一次取樣可以實(shí)現(xiàn)所測(cè)平面內(nèi)各點(diǎn)的亮度值的測(cè)量。近場(chǎng)分布光度計(jì)中的成像亮度計(jì)面對(duì)被測(cè)LED光源，直接接收LED光源的光線束。由被測(cè)光源發(fā)出的光束都具有可測(cè)量的與距離無(wú)關(guān)的亮度值，通過(guò)測(cè)量被測(cè)LED光源表面各發(fā)光點(diǎn)在空間各個(gè)方向的亮度值，用光線追蹤的方法可準(zhǔn)確地得到LED光源的每一個(gè)平面的照度分布、空間光強(qiáng)分布和總光通量等光度參數(shù)，而且與測(cè)試距離、方向或LED表面的曲率半徑無(wú)關(guān)。如果要測(cè)量色度信息，成像亮度計(jì)換成成像色度計(jì)即可得到LED光源空間色度分布。

如圖2 b)所示，測(cè)量過(guò)程中光源可繞著自身機(jī)械軸轉(zhuǎn)動(dòng)，成像亮/色度計(jì)從空間各個(gè)角度拍攝光源影像，每個(gè)指定角度的測(cè)量結(jié)果都包含亮度和顏色信息，構(gòu)建光源亮度和色度輸出的三維空間圖像。測(cè)量結(jié)束后，測(cè)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(chǎng)模型，并以光強(qiáng)形式給出，光強(qiáng)I(x,y,z,θ,φ)是位置(x,y,z)和角度(θ,φ)的函數(shù)。如果進(jìn)行了色彩和光譜測(cè)量，這個(gè)函數(shù)還會(huì)包含色坐標(biāo)值或光譜。光源近場(chǎng)模型可生成射線集，用于光學(xué)設(shè)計(jì)和外推光源的遠(yuǎn)場(chǎng)分布。

圖2 a)　近場(chǎng)光學(xué)分布光度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 b)　近場(chǎng)光學(xué)分布光度計(jì)原理示意圖

2. 光源近場(chǎng)模型的類型及應(yīng)用

總的來(lái)說(shuō)，光源近場(chǎng)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(xué)文件，但是因?yàn)闆](méi)有顏色信息，不能對(duì)光源的顏色進(jìn)行準(zhǔn)確仿真。一般來(lái)說(shuō)，此類近場(chǎng)模型可適用于單色光(亮度)或不可見(jiàn)光(輻射度)光源的測(cè)試。金鑒檢測(cè)配置的SIG 400可測(cè)試波長(zhǎng)在350 nm～1000 nm范圍內(nèi)的光源近場(chǎng)模型，其中即包含了紫外和紅外不可見(jiàn)光的測(cè)試。

圖3　只含亮度信息的光源近場(chǎng)模型在專業(yè)分析軟件中打開(kāi)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(xué)文件的仿真軟件有限，例如業(yè)界常用的Tracepro光學(xué)仿真軟件則不可使用此類型光學(xué)文件進(jìn)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(tǒng)中包含反射或者色散的材料或部件，則無(wú)法準(zhǔn)確仿真光線的色散效果，難以保證接收器上色度的準(zhǔn)確。

圖4　只含亮度、色度(三刺激值)信息的光源近場(chǎng)模型在專業(yè)分析軟件中打開(kāi)界面

c. 包含亮度和色度的分布信息，同時(shí)包含光譜信息

目前大多數(shù)主流的仿真軟件都支持此類型的光學(xué)文件，可以準(zhǔn)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(chǎng)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(chǎng)模型在專業(yè)分析軟件中打開(kāi)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(chǎng)模型均可利用Tracepro軟件仿真得到如圖7所示的照度(強(qiáng)度量)分布圖，前面也已提到業(yè)界常用的Tracepro光學(xué)仿真軟件不可使用不包含光譜信息的近場(chǎng)模型文檔進(jìn)行顏色方面的模擬，但是當(dāng)含有光譜信息的時(shí)候，7.0版本以上的Tracepro軟件即可準(zhǔn)確地模擬光源的顏色，兩者的區(qū)別可見(jiàn)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(duì)于用戶而言，可根據(jù)自己的需要選擇測(cè)量哪種類型的近場(chǎng)模型，金鑒檢測(cè)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(chǎng)測(cè)試。那得到的近場(chǎng)模型怎么使用呢?

近場(chǎng)測(cè)試得到的近場(chǎng)模型并不能直接應(yīng)用于光學(xué)仿真軟件，需要通過(guò)專業(yè)光源分析軟件生成對(duì)應(yīng)光學(xué)仿真軟件的包含任意光線數(shù)量的光線集文檔，方可導(dǎo)入到對(duì)應(yīng)的光學(xué)仿真軟件中進(jìn)行光學(xué)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(chǎng)模型是光源的完整描述，因此可用它來(lái)隨意生成和再生光線集(初步設(shè)計(jì)時(shí)使用較少的光線和最終設(shè)計(jì)時(shí)使用大量的光線)，從而使整體設(shè)計(jì)過(guò)程更為高效。

3. 特殊光源的測(cè)試方法

金鑒檢測(cè)配備的美國(guó)Radiant公司的SIG-400光源近場(chǎng)光學(xué)分布測(cè)試系統(tǒng)(如圖9)，專為L(zhǎng)ED燈珠、COB、模組等小光源設(shè)計(jì)，同時(shí)配備了Radiant公司最新版本的專業(yè)光源分析軟件ProSource10.2.2，可生成適用于各種主流光學(xué)照明設(shè)計(jì)軟件的光線集。同時(shí)對(duì)于一些特殊的LED光源，該中心經(jīng)過(guò)自主研究驗(yàn)證，也可實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。

圖9　SIG-400光源近場(chǎng)光學(xué)分布測(cè)試系統(tǒng) 　圖10　ProSource光源模型分析軟件

a. LED芯片(裸晶)

對(duì)于LED芯片的光學(xué)測(cè)量，一般分為不帶封裝測(cè)量和帶封裝測(cè)量?jī)煞N類型。如果是不帶封裝測(cè)量，和芯片直接接觸的是空氣，而實(shí)際LED封裝應(yīng)用一般會(huì)采用硅膠對(duì)芯片進(jìn)行保護(hù)及提高光效，芯片出光會(huì)受光溢出角的影響，測(cè)量的亮度和光通量一般會(huì)和封裝后的表面亮度有較大的差別。因此若測(cè)試時(shí)芯片直接接觸空氣，則不能準(zhǔn)確獲得使用情況下芯片的近場(chǎng)光源模型。如果是帶封裝測(cè)量，由于封裝的形狀和結(jié)構(gòu)會(huì)影響LED本身的出光效果，因此其測(cè)量的結(jié)果只能對(duì)特定的封裝形式有效。

針對(duì)以上問(wèn)題，金鑒檢測(cè)對(duì)于LED芯片近場(chǎng)測(cè)試，提供了一種特定的光源模型結(jié)構(gòu)(如圖11)，通過(guò)模擬一種簡(jiǎn)單的封裝形式，同時(shí)用近場(chǎng)測(cè)量設(shè)備測(cè)其在不同角度的亮度分布，得到光源的近場(chǎng)分布數(shù)據(jù)。由于玻璃球和折射率匹配液的相關(guān)參數(shù)已知(折射率十分接近常用硅膠的折射率)，通過(guò)逆向追跡方法可以得到LED芯片表面的真實(shí)出光情況，繼而可以在光學(xué)軟件中模擬任意封裝條件下的出光效果。

圖11裸晶近場(chǎng)測(cè)試專用治具

b. 大功率光源(COB或模組)

對(duì)于小功率LED，可直接焊在普通的薄鋁基板上即可達(dá)到散熱的目的。但對(duì)于大功率LED，需要的散熱器比較大，甚至比較厚，因近場(chǎng)測(cè)量時(shí)樣品與色度計(jì)的距離很近，如果樣品的散熱器比較大或厚，亮度計(jì)則無(wú)法聚焦，進(jìn)而不能準(zhǔn)確測(cè)量。為此，金鑒檢測(cè)自主研發(fā)了一套控溫裝置，可解決大功率LED(高至150W)的散熱問(wèn)題，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)大功率LED的近場(chǎng)測(cè)量。同時(shí)，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(cè)量的要求。

c. 五面發(fā)光的CSP光源

目前比較熱門的CSP光源，特別是五面發(fā)光的光源，因其體積小，有的產(chǎn)品功率又大，如果焊在傳統(tǒng)的鋁基板上焊線點(diǎn)亮測(cè)試，焊點(diǎn)和焊線可能會(huì)部分擋光，且會(huì)造成一些雜散光。金鑒檢測(cè)針對(duì)此類型CSP光源設(shè)計(jì)了一種特殊的散熱板，完美地解決了焊點(diǎn)與焊線的擋光問(wèn)題以及散熱問(wèn)題，可更精確地進(jìn)行近場(chǎng)測(cè)量。

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