LED和其它复杂光源建模

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1、LEDLED 和其它复杂光源建模和其它复杂光源建模 本文由 Opticsstar 从 zemax knowledge base 翻译，转载需注明出处。 ZEMAX 公司感谢 Radiant Imaging, Opsira and Lumileds 提供本文中使用的 实验数据. Luxeon 是 Lumileds 公司的商标。准确的光源建模是准确的照明系统建模的关键。ZEMAX 能对光线做分束，散射， 衍射，折射，反射等操作，但是本文讨论最初如何发射一束光，使得他们能准 确的代表光源的空间和角度照明分布。 本文中我们将讨论建模一个 Luxeon LED，但是设计过程能被用于任意复杂光源： 弧光灯

2、，白炽灯等。 ZEMAX 包含许多光源对象，可用于初始光源特性的初始近似。例如， source_filament 是白炽灯第一个好的近似，source_volume_cylinder 对建模 荧光灯管很有用。本文中我们方法的关键是尽可能在空间(近场)和角度(远场) 分布上接近实验测量的数据。鉴于我们建模的 LED 使用了光度单位，我们将我们的模拟中也将使用光度单位。 在 System General Units 设置如下：结果是，照度（illuminance）的单位将为 Lux （Lumens.m-2），发光强度 （luminous intensity）为 Candela （Lumens.st

3、eradian-1）而辐射度将为 Candela.m-2.使使 Source_RadialSource_Radial Source_radial 是从制造商的 datasheet 里面输入数据的最简单的方法。 例如 这里是 Luxeon Emitter Red (LXHL-BD01)的发光强度，如产品 datasheet 所提 供。角度分布的“蝙蝠翼(batwing)”特性如下：AngleAngle (degree)(degree)RelativeRelative IntensityIntensity (Arbitrary(Arbitrary Units)Units) 0 605 6010 6

4、015 6420 6825 7230903510040 9545 8550 6055 2560 965 470 075 080 085 090 0附件的 zip 文件(可以在本文最后下载)中有一个文件,radial_source.zmx.该文 件仅包含 2 个目标:一个探测器和 source_radial. Source_radial 是一个平的， 矩形或者椭圆形对象，他可以所提供的数据描述的角度分布发光。注意 source_radial 让角度数据可成为变量，因此我们可以优化确定为特定应 用所需的角度分布.本文中我们不会使用这一功能，因为我们的目标是尽可能描 述实验数据。但当我们在设计的早期

5、想知道我们需要什么样的分布时，这是一 个极为有用的功能 制造商的 data sheet 告诉我们，光源直径 6mm，典型输出为 27 lumens：这一 数据也被添加到 source_radial。通过 30 条 layout 光线和 10M analysis光线 (记得layout 光线仅为画图之用;analysis 光线用于细节的计算),我们得到:看更细节的数据我们可以看到光源的空间和角度性能：SpatialSpatial DataData (Illuminance,(Illuminance, inin Lux)Lux) AngularAngular DataData (Luminous(

6、Luminous Intensity,Intensity, inin CandelaCandela)计算的发光强度和制造商的 datasheet 符合的很好，但是制造商没有提供 LED 照度(LED 的空间结构)的数据。因此 ZEMAX 假定光源在 3mm 半径的孔径内是均 匀亮度的。在没有更好的数据前，我们只能这样了。为了提高模拟的质量，我 们需要角度和空间数据：这就是所谓的光源辐射source radiance 或光源照度 source luminance.使用使用 RadiantRadiant ImagingImaging 公司的公司的 ProSourceProSourceRadiant

7、 Imaging ()通过使用高线形，低噪声相机拍 摄一系列校准的 16-bit 照片来测量光源的辐射度(或者照度)，并将它们合并到 一个数据库中。他们的 ProSource 软件可以多种方式查看这些数据，以及光源 详尽的辐射情况(角度和空间分布). ProSource 的演示版可以从 Radiant Imaging 的网站下载。本文建模了一个 Luxeon LXLH-BD01 LED，这需要有 ProSource 的完全的 license 以及特殊光源 模型的 license。因此本部分产生的数据文件本文不能下载。 使用辐射光源的好处是可以得到充分测量的数据，进而可以看到反射散射全内 反射效

8、应。例如这里的照片是不发光的 LED 和发光的 LED:这显示了光源结构导致的光学效果。例如，接触电极部分遮挡了反射光线，在 发光面上叠加一个纵横交错的图案. 在不同的角度拍摄了大量的照片，被用于 计算光源辐射度（或照度）模型。Radiant Imaging 公司的 ProSource 程序能 让使用者看到光源的细节特征。例如，这里是发光强度在 x 方向通过 LED 中心 的切片:这显然比 LED 制造商提供的原始信息多得多。ProSource 可以导出此数据作为 source_file，而这个光线列表可以被 ZEMAX 追迹:红框圈起来的设置表示：我们将产生 10M 光线 The rays

9、will be generated over 2 steradians 使用重要性权重，所以更多的光线产生在明亮区域 由于 LED 径向 3mm，我们选择最初在半径 3mm 的球面上产生光线 注意光线文件必须保存在 zemaxroot/objects 文件夹，且必须为扩展名.dat.为使用该数据，我们可以将 source_radial 换成 source_file 然后打开 Radiant_Source.dat。为了在输出点列图上看到随机光线，可以设置 System General Non-Sequential 下的“Randomize rays“ 为 1e+8.注意这个文件需要大于 500M

10、 的空闲内存。当我们追迹光线时，光源的空间和角 度分布如下:SpatialSpatial datadata (Illuminance,(Illuminance, inin Lux)Lux)AngularAngular DataData (Luminous(Luminous Intensity,Intensity, inin Candela)Candela)这个数据文件在空间和角度域有多得多的信息。空间结果清楚的显示出了“蝙 蝠翼 batwing”结构，这是单独的角度数据没法预测的。角度数据也给出了比 制造商 datasheet 提供的简单曲线多得多的结构。注意这些附属的结构是怎样 在 ZEMA

11、X ray-tracing 结果中还原的:我们也可以比较其空间性能。光线产生于半径为 3mm 的圆球上。如果我们逆向 追迹它们将汇聚成一个虚焦点，这即我们所见的像。在几度圆锥角之内产生 10M 条光线:并告诉 ZEMAX 逆向追迹这些光线:在虚像处得到如下的空间分布:与 ProSource 数据库中的照片比较:ZEMAX 和 ProSource 使用略有不同的图像 gamma, 但是可以看到这些图像是基 本一致的。也注意到如果你缩小 ZEMAX detector 窗口可以看到两个 LED emitter 的 ghost images，这也在 ProSource 的数据中:注意:这不是照片这是！

12、这是 ZEMAX 内部光线追迹模拟的结果。使用测量的辐射 数据提供了精确的光源模型.使用使用 OpsiraOpsira 公司的公司的 LucaLuca RaymakerRaymaker Opsira (www.opsira.de) 的 Luca Raymaker 软件提供了类似的功能，该功能 生成测向仪(goniometer)测出的光线集。光线生成操作如下:生成的文件是一个二进制.dat 文件,之后该文件被作为一个 source_file 对象 读入 ZEMAX 并以之前描述的 Radiant Sources 同样的方式追迹。BuildingBuilding a a ComplexComple

13、x GeometricGeometric ModelModel最后我们将讨论的技术是建立一个复杂的几何光源模型。这是一个光源的一个“ 迷离模型 mini-model“，并使用 ZEMAX 提供的几何光源以及一系列其它对象， 试图刻画光源的内部结构。例如，见文件夹zemaxroot/ samples/non- sequential/sources/led_model.zmx:这个对象由一系列更小的内部对象构造:这可以代表 LED die,电极丝,安装点等。然后将更细节的光学特性应用到各个 对象，然后大量的光线追迹。 这些光源模型能被直接追迹，或者生成的光线能被保存到光线数据库。在光线 数据库观察

14、器中(Analysis Database Ray Database Viewer) 你可以选择 测试对象，并将所有打到该对象的所有光线保存为心得光源对象。这个新的数 据文件可以用 source_file 对象读入。复杂的集合模型需要忍受的一个大问题是：你需要知道输入什么值！例如，在 电极丝上使用何种散射函数？支撑结构的反射率是多少？此类数据不易获得。 最后，复杂模型必须为实验数据验证有效：这带来一个问题，为什么不开始就 使用实验数据？ 大体上讲，实验数据更准确更容易使用。但是在一些系统中，特别是来自光源 的光再成像在光源上，需要努力构造一个好的复杂的光源。也可以 2 者都用， 通过定一个复杂光源，但是通过一个测量的光源文件初始发光。此图版权归 Radiant Imaging 所有，这里被允许使用。总结和参考总结和参考 本文描述了一些 LEDs 及其它复杂光源建模的技术：最早的方法，在没有实验数据情况下最好的,是使用 source_radial 或其它 built-in 光源 实验数据，例如 Radiant Imaging 和 Opsira 和所提供的，提供了最好的精度 并且易于使用 当光线会再次成像在光源对象上时，复杂光源模型非常有用