如何用多波長近場光線集準確模擬光源系統

隨著LED等新型光源技術的發展，在各個領域里面得到廣泛應用，而對于照明，如何得到一個優化的燈光效果通常需要用近場光線集進行光學模擬燈具設計效果；常見的白光LED光源的光線文件通常基于近場的兩個波長區域的測量，一個在藍色區域，一個在黃色區域。此數據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，僅有兩個波長區域近場測量的數量太少，限制了在使用這些數據模型去模擬真實情況的場景。特別是對于小型的光學系統中，比如車燈照明，光源的尺寸在整個光學系統相對較大，光源模型需要多的細節，比如更多光譜通道的近場數據；

光學模擬的目標是盡可能真實地對系統進行建模和仿真。也就是需要更真實的“光線”信息，光線與許多物理量相關聯，它包含一組在空間中的坐標和傳播方向，同時也經常包括輻射或光通量值信息。對于一個完整的光源模型，每條光線都需要與波長相關聯，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。同時也能評估出射光分布的光譜，并從光譜中導出諸如顏色坐標或顯色指數等信息。

例如，考慮一個典型的白光LED封裝，該封裝由一種或多種顏色的led芯片組成，并與發光涂層結合在一起。藍色LED芯片的藍光通過涂層轉換成更高波長，紅色LED芯片可用于調節該封裝發射光譜的色溫和顯色指數。

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

如今，光源的光譜特性在光線集中的細節程度仍有不足。一種常見的光源測試方式是使用兩個光譜濾光片測量光源，一個測藍色，一個測黃色，并產生包含兩個代表性波長的光線集。雖然這樣可能足以模擬某種程度的色散，并解釋隨角度產生變化的光譜，但仍不足以準確模擬出射光的顏色特性。

另一個方法是將三刺激值x、y、z包含在每條光線中。這可以模擬出色坐標，但不能用于模擬光學系統中的色散效應或CRI這樣需要從光譜中導出的參數。

目前，光源模型缺乏足夠的數據全面描述光源的光譜特性。本文旨在介紹德國Opsira公司生產的多光譜近場測試儀，生成的光線模型細節。下面的例子中，一個多芯片白光LED用于一個光學系統，使用了TIR器件和一個聚光鏡用于顏色混合。并將模擬混色后的色度參數與實際測量值進行了比較。

測量和仿真

用于測量和模擬的LED樣品如圖1所示。這張照片顯示了LED封裝的發光面和4個LED芯片的連接線，一個紅色LED和三個藍色LED。測量時，LED安裝在圖1中的測角裝置上（見灰色箭頭）。

圖一：測試裝置和芯片

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。左邊的圖片是用藍色濾光片拍攝的曝光圖片，它顯示了三個藍色芯片的位置。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射光譜。當從頂部（角度=0°）觀察時，光譜的紅色峰值超過藍色峰。但在靠近紅色LED芯片位置觀察，隨著視角的增加，光譜的形狀會發生變化，藍色峰超過紅色峰值。

圖三：不同角度的光譜

類似于這樣的發光特性需要體現在光線數據中：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，測量距離離樣品上相等。對于每個濾波器拍攝輻射圖像并生成一個獨立光線數據集。

選擇帶通濾波器不僅要考慮光學分辨率，還要有良好的透光性，透光性會影響相機的曝光時間，從而影響測量的總時間。根據不同的目標，可以使用不同的濾光片組合。這里用于測量的濾光片包含三激勵濾波器x、y、z，并補充額外的5個帶通濾波器。

為了對樣品進行完整的模擬，用安裝在測角裝置上的光譜輻射計記錄樣品的發射光譜。光譜輻射計記錄的數據間隔5nm，然后對樣本上方所有觀測點數據進行匯總。這樣得到了波長間隔5nm樣品的輻射通量數據文件。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”數據建模的光學系統。它由LED封裝、準直和聚光光學元件組成。該系統設計的目的是在屏幕上產生均勻的照明分布，并確保整個屏幕的顏色坐標保持恒定。在模擬中，屏幕設置在距離LED封裝1米處。

圖六：光學系統（1）LED封裝（2）準直部分（3）聚光部分

從圖7可以看出來在沒有聚光鏡情況下對實際光斑光譜的測量情況。光線準直后在屏幕上產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。測量點1-9記錄了光譜。兩個測量點之間的距離為5厘米。這些測量點也用于圖八中。屏幕的很大一部分是藍色LED發出的光，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，以顯示當測量點從屏幕上的藍色區域轉到紅色區域時，藍紅比是如何降低的。

圖七：無聚光鏡測量的實際光譜

我們采用兩組不同的“光線集”數據來建模，以對比不同模型的差異。

在一組數據中，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據。這個光線數據補充圖5所示的頻譜數據，以模擬光斑上的分布。仿真結果如圖8所示。因為光線數據基于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計數據造成的，在模型中，圖像的中心使用了更多的光線。

圖八：光學模擬

為了改善這種情況，通常的做法是為一個led封裝提供兩個光線數據集，一個用于藍色光譜區域，另一個用于黃色光譜區域，然而在模擬結果中還是有很大的局限性。

第二組數據基于七個光線數據集，這些光線數據集使用了圖4的濾光片，還使用了圖5所示的輻射數據。仿真結果如圖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，這次模擬準確地再現了光斑不同位置的光譜變化。

圖九：仿真結果

下一步實驗中，光學系統增加聚光透鏡進行擴展。模擬結果再次與測量結果進行了比較。圖10為實際光學系統光斑不同位置的光譜測量情況。光譜形狀以及對光譜的積分（亮度）在光斑上分布保持不變。只有在光分布的邊緣（點1和點9），光譜才偏離其均勻分布。這種情況可以被模擬準確地再現，如圖11所示。

圖十:加聚光鏡實際測試結果

圖十一：加聚光鏡仿真結果

現在，我們將使用的光源模型的數據用來計算色坐標和顯色指數。在例子中，僅用v（λ）濾波器進行的模擬不能重現光的分布情況，屏幕區域色溫4800 K。在使用七個帶通濾波器測試的第二組數據模擬例子，計算結果如下圖12。 

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

由于在整個發光半球上采集了光線數據，并整合進了詳細的光譜信息，模擬結果與實際測量情況符合一致。

結論

使用新技術建立的光源模型在光學模擬中能真實表現光線在空間分布中的光譜和顏色況。與使用藍色/黃色或基于三刺激值濾波器相比，它顯著地擴大了模擬中可呈現的細節，這種技術的優點是建立的光源模型，尤其是對于光譜會隨著位置與角度變化較大的光源。

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

文中使用儀器為德國Opsira的多光譜近場測試儀

Gonio 2π光源近場測試系統

Gonio 4π光源近場測試系統

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