如何(hé)用(yòng)多波長近場光綫集(jí)準確(què)模(mó)擬(nǐ)光源係統(tǒng)

隨(suí)著LED等新型(xíng)光(guāng)源技(jì)術的(dí)發展(zhǎn)，在(zài)各(gè)個(gè)領域(yù)裏麵得(dé)到廣(guǎng)泛應(yīng)用(yòng)，而(ér)對於照(zhào)明，如何(hé)得到(dào)一個(gè)優(yōu)化(huà)的(dí)燈(dēng)光(guāng)效(xiào)果通常(cháng)需要用(yòng)近場(cháng)光綫集(jí)進(jìn)行光(guāng)學(xué)模擬燈具(jù)設(shè)計效果；常見(jiàn)的白(bái)光LED光(guāng)源的(dí)光綫文件(jiàn)通常基於近場的(dí)兩個(gè)波長區(qū)域(yù)的(dí)測量，一個在藍色區域(yù)，一個在黃(huáng)色(sè)區域(yù)。此(cǐ)數(shù)據(jù)可用於(yú)描述(shù)光綫的基(jī)本(běn)效(xiào)果，例(lì)如在使用(yòng)LED芯片中(zhōng)遇到的(dí)角(jiǎo)度-顏色偏移。然而，僅(jǐn)有(yǒu)兩個波(bō)長區(qū)域近(jìn)場測(cè)量的(dí)數量太(tài)少(shǎo)，限(xiàn)製了在(zài)使用這些(xiē)數(shù)據模(mó)型(xíng)去模擬真實情況(kuàng)的場(cháng)景。特別是對於(yú)小(xiǎo)型(xíng)的光學係統中，比如(rú)車燈(dēng)照明(míng)，光源的(dí)尺寸在整(zhěng)個光學係(xì)統相對(duì)較大(dà)，光源模(mó)型(xíng)需(xū)要多的細(xì)節，比如更(gēng)多光譜通道的近場數(shù)據(jù)；

光(guāng)學模擬的目(mù)標是盡可能真(zhēn)實(shí)地(dì)對係統(tǒng)進(jìn)行(háng)建模和仿(fǎng)真(zhēn)。也就(jiù)是需要更真實的(dí)“光(guāng)綫”信息，光綫與許(xǔ)多(duō)物理量相關聯，它包含一組在(zài)空間中(zhōng)的坐(zuò)標(biāo)和傳(chuán)播方向，同時也經常包括(kuò)輻(fú)射或光通(tōng)量值信息(xī)。對於(yú)一個(gè)完(wán)整的(dí)光(guāng)源(yuán)模型，每條光(guāng)綫都需要與波(bō)長相關聯(lián)，光綫(xiàn)集包含的(dí)光綫也(yě)需(xū)要(yào)能(néng)表示光(guāng)源(yuán)的(dí)光譜(pǔ)。基(jī)於這(zhè)種(zhǒng)光(guāng)綫集(jí)才可(kě)以地模(mó)擬折(zhē)射和(hé)色散(sàn)效應。同時(shí)也(yě)能(néng)評(píng)估出(chū)射(shè)光(guāng)分布(bù)的光(guāng)譜(pǔ)，並從光譜中導(dǎo)出(chū)諸如(rú)顏色(sè)坐(zuò)標或顯(xiǎn)色(sè)指數等信息(xī)。

例如(rú)，考(kǎo)慮一(yī)個典(diǎn)型的白光(guāng)LED封(fēng)裝(zhuāng)，該封裝(zhuāng)由(yóu)一(yī)種(zhǒng)或多(duō)種(zhǒng)顏(yán)色的led芯(xīn)片(piàn)組(zǔ)成(chéng)，並(bìng)與(yǔ)發光(guāng)塗層結合(hé)在一(yī)起。藍(lán)色(sè)LED芯片的(dí)藍(lán)光通(tōng)過(guò)塗層(céng)轉換(huàn)成更(gēng)高(gāo)波長，紅色LED芯片(piàn)可用於(yú)調(tiáo)節該封裝發射光(guāng)譜的色溫和顯色指(zhǐ)數。

這種(zhǒng)封(fēng)裝出射(shè)光(guāng)綫(xiàn)的光譜(pǔ)形狀(zhuàng)會(huì)隨(suí)著(zhuó)觀察(chá)角度(dù)變化(huà)。不同(tóng)觀察(chá)角度(dù)下(xià)光譜(pǔ)的(dí)藍色與(yǔ)紅色峰值的(dí)比率(shuài)會(huì)變(biàn)化(huà)，此外，光譜也隨著觀察位置隨著接近藍(lán)色或紅色(sè)芯(xīn)片而變化。這些特征需(xū)要在光(guāng)綫數(shù)據(jù)中(zhōng)體(tǐ)現(xiàn)。

如今，光源的光譜(pǔ)特性(xìng)在(zài)光綫(xiàn)集(jí)中的細節(jié)程度仍有不(bù)足。一(yī)種常見的光(guāng)源測試方式(shì)是使用(yòng)兩(liǎng)個光(guāng)譜濾光(guāng)片測(cè)量光(guāng)源(yuán)，一個(gè)測(cè)藍(lán)色(sè)，一個測黃(huáng)色(sè)，並產(chǎn)生包含(hán)兩(liǎng)個(gè)代表性(xìng)波(bō)長的(dí)光綫(xiàn)集。雖然這樣可能(néng)足(zú)以模(mó)擬某種程(chéng)度的色散(sàn)，並解釋(shì)隨角度產(chǎn)生變(biàn)化的(dí)光(guāng)譜，但(dàn)仍(réng)不足(zú)以(yǐ)準確(què)模(mó)擬(nǐ)出射光(guāng)的顏色(sè)特性。

另(lìng)一個(gè)方法是(shì)將(jiāng)三(sān)刺(cì)激(jī)值x，y，z包含(hán)在每(měi)條(tiáo)光綫(xiàn)中。這(zhè)可以模(mó)擬(nǐ)出(chū)色坐標，但不(bù)能用於模(mó)擬光(guāng)學係統中的色散效應或CRI這樣(yàng)需要從(cóng)光譜中導出(chū)的參數(shù)。

目前，光源模型缺乏足(zú)夠的(dí)數據(jù)全麵描(miáo)述(shù)光(guāng)源的光譜特性。本文(wén)旨在介紹(shào)德國Opsira公(gōng)司(sī)生(shēng)產的(dí)多(duō)光譜(pǔ)近(jìn)場(cháng)測試儀(yí)，生成(chéng)的光綫模(mó)型細節(jié)。下麵(miàn)的(dí)例(lì)子中(zhōng)，一個(gè)多(duō)芯(xīn)片(piàn)白(bái)光LED用(yòng)於一(yī)個光學係統，使(shǐ)用了TIR器(qì)件(jiàn)和一(yī)個聚光鏡(jìng)用(yòng)於顏(yán)色(sè)混(hùn)合(hé)。並將(jiāng)模擬(nǐ)混色(sè)後的(dí)色度參(cān)數與實際測(cè)量(liáng)值進(jìn)行了(liǎo)比(bǐ)較。

測量和仿(fǎng)真(zhēn)

用於測(cè)量和(hé)模擬的(dí)LED樣(yàng)品(pǐn)如(rú)圖(tú)1所示。這張(zhāng)照片(piàn)顯(xiǎn)示了LED封(fēng)裝(zhuāng)的發光(guāng)麵和4個LED芯(xīn)片的連接(jiē)綫，一個(gè)紅(hóng)色(sè)LED和(hé)三(sān)個藍色(sè)LED。測量時(shí)，LED安(ān)裝(zhuāng)在圖(tú)1中的測角(jiǎo)裝(zhuāng)置上(shàng)（見(jiàn)灰色箭(jiàn)頭(tóu)）。

圖(tú)一：測試裝(zhuāng)置和芯(xīn)片(piàn)

芯片的位置如圖2所示，顯(xiǎn)示(shì)的是(shì)用不(bù)同帶通(tōng)濾波器(qì)拍攝的輻(fú)射圖像。左邊(biān)的(dí)圖片(piàn)是(shì)用藍色濾(lǜ)光片(piàn)拍(pāi)攝的曝(pù)光(guāng)圖片，它(tā)顯(xiǎn)示了(liǎo)三個藍色(sè)芯片(piàn)的位(wèi)置(zhì)。中間的圖像是用紅(hóng)色的濾(lǜ)光片拍攝(shè)，它顯示了(liǎo)紅(hóng)色(sè)芯(xīn)片(piàn)的位(wèi)置(zhì)以及從頂(dǐng)部發(fā)出的光輻(fú)射。右邊(biān)的圖(tú)片顯(xiǎn)示(shì)了用靈(líng)敏(mǐn)度(dù)v（λ）濾波(bō)器(qì)拍攝的(dí)圖像(xiàng)，它包含(hán)整個芯片封(fēng)裝(zhuāng)出射光(guāng)綫的所(suǒ)有光(guāng)譜。

圖二(èr)：使用不同(tóng)濾波器拍攝的圖(tú)像

圖3顯(xiǎn)示(shì)了(liǎo)不同觀(guān)察角度的發射光譜。當從頂部(bù)（角(jiǎo)度(dù)=0°）觀(guān)察時(shí)，光譜的(dí)紅色(sè)峰值(zhí)超過(guò)藍(lán)色峰。但(dàn)在靠近(jìn)紅色(sè)LED芯片位置(zhì)觀察(chá)，隨著視角(jiǎo)的(dí)增(zēng)加，光(guāng)譜的形狀(zhuàng)會發生變化，藍色(sè)峰超(chāo)過紅(hóng)色(sè)峰值(zhí)。

圖三：不同(tóng)角(jiǎo)度(dù)的(dí)光譜(pǔ)

類(lèi)似(sì)於這樣(yàng)的發(fā)光特性(xìng)需(xū)要體現(xiàn)在光(guāng)綫數據(jù)中：出(chū)射(shè)光(guāng)譜(pǔ)在同(tóng)角度不(bù)同位置的(dí)變化(huà)，以(yǐ)及光譜(pǔ)受角(jiǎo)度的(dí)影響。為(wéi)此，使用(yòng)了圖4所(suǒ)示的(dí)一(yī)組帶(dài)通濾波(bō)器(qì)來拍(pāi)攝樣品(pǐn)亮(liàng)度(dù)圖像。

圖(tú)四：測(cè)量(liáng)光綫使用的帶(dài)通(tōng)濾光片

圖四中(zhōng)顯(xiǎn)示了(liǎo)濾光片的(dí)歸一化(huà)傳輸(shū)特(tè)性(xìng)曲綫(xiàn)，測量距離(lí)離樣(yàng)品上(shàng)相等。對(duì)於每個濾波器(qì)拍攝輻(fú)射圖像並生成(chéng)一個獨(dú)立(lì)光(guāng)綫(xiàn)數(shù)據集。

選擇帶通(tōng)濾波器不僅要考慮光學分辨(biàn)率(shuài)，還要有(yǒu)良(liáng)好的(dí)透(tòu)光(guāng)性(xìng)，透(tòu)光性(xìng)會影(yǐng)響相機的曝光(guāng)時間(jiān)，從而影響(xiǎng)測量(liáng)的總(zǒng)時間。根(gēn)據(jù)不同(tóng)的(dí)目(mù)標，可(kě)以(yǐ)使用(yòng)不(bù)同(tóng)的濾(lǜ)光(guāng)片組(zǔ)合。這(zhè)裏用於測量的濾光(guāng)片包含三(sān)激勵濾波器x，y，z，並補(bǔ)充(chōng)額(é)外(wài)的(dí)5個帶通濾波(bō)器。

為了對樣品進行(háng)完(wán)整的(dí)模擬，用(yòng)安裝在測角(jiǎo)裝(zhuāng)置(zhì)上的(dí)光(guāng)譜(pǔ)輻(fú)射計(jì)記(jì)錄樣(yàng)品(pǐn)的(dí)發射(shè)光(guāng)譜(pǔ)。光(guāng)譜輻射(shè)計記(jì)錄(lù)的數據間隔5nm，然(rán)後(hòu)對(duì)樣(yàng)本(běn)上方(fāng)所(suǒ)有觀測(cè)點數(shù)據進(jìn)行匯(huì)總。這(zhè)樣得(dé)到了(liǎo)波長(cháng)間隔(gé)5nm樣(yàng)品的輻(fú)射通量數(shù)據(jù)文件。圖5顯示(shì)了(liǎo)記錄(lù)的輻射通(tōng)量(liáng)情(qíng)況(kuàng)。

圖五(wǔ)：輻(fú)射通量

圖6是(shì)使(shǐ)用(yòng)”光綫(xiàn)集”數據(jù)建模(mó)的光(guāng)學(xué)係(xì)統(tǒng)。它由LED封(fēng)裝，準直和(hé)聚(jù)光光學元件組成(chéng)。該係統設(shè)計的目的是(shì)在屏幕(mù)上產生均(jūn)匀(yún)的照(zhào)明分布(bù)，並確保整(zhěng)個屏幕的顏色坐(zuò)標(biāo)保持恒(héng)定(dìng)。在(zài)模(mó)擬(nǐ)中，屏(píng)幕設置在(zài)距離LED封裝(zhuāng)1米(mǐ)處(chǔ)。

圖六(liù)：光(guāng)學(xué)係(xì)統（1）LED封裝（2）準直(zhí)部分(fēn)（3）聚(jù)光(guāng)部分

從(cóng)圖7可(kě)以看(kàn)出來在(zài)沒有聚(jù)光鏡情(qíng)況下對(duì)實際光(guāng)斑光(guāng)譜的(dí)測量(liáng)情況(kuàng)。光綫準(zhǔn)直後在屏幕上產生的光分布反映(yìng)了(liǎo)非(fēi)均(jūn)匀(yún)LED芯片在封(fēng)裝中的分布(bù)。圖7插入的小(xiǎo)圖是光(guāng)斑(bān)的(dí)照片(piàn)。測量點1-9記(jì)錄(lù)了(liǎo)光譜。兩個測(cè)量(liáng)點之(zhī)間的(dí)距(jù)離為5厘米(mǐ)。這些測量(liáng)點(diǎn)也(yě)用於圖(tú)八(bā)中。屏(píng)幕的很大(dà)一部(bù)分是(shì)藍(lán)色(sè)LED發(fā)出的光(guāng)，屏幕(mù)的較(jiào)小(xiǎo)一(yī)部(bù)分(fēn)（右(yòu)上(shàng)角）主(zhǔ)要(yào)由(yóu)紅(hóng)色(sè)LED照亮(liàng)。光譜被按紅色峰的高(gāo)度(dù)歸一化，以顯示(shì)當測(cè)量(liáng)點從(cóng)屏(píng)幕上的藍色(sè)區域(yù)轉到(dào)紅色區域時，藍(lán)紅(hóng)比(bǐ)是如(rú)何降低的。

圖七：無聚(jù)光(guāng)鏡(jìng)測(cè)量的實際(jì)光譜

我(wǒ)們采用兩(liǎng)組不同的(dí)“光綫集(jí)”數據來建(jiàn)模(mó)，以對(duì)比(bǐ)不(bù)同模型的差異。

在一組數(shù)據(jù)中，我(wǒ)們使用(yòng)僅(jǐn)依賴於(yú)用v（λ）濾(lǜ)波(bō)器(qì)拍攝的(dí)亮度(dù)圖像的光(guāng)綫數(shù)據(jù)。這(zhè)個光綫(xiàn)數據(jù)補(bǔ)充(chōng)圖(tú)5所示的(dí)頻譜數(shù)據，以(yǐ)模擬光斑上(shàng)的(dí)分布。仿真結果如圖8所示。因為光(guāng)綫(xiàn)數(shù)據基於v（λ）濾光片，沒有不同顏(yán)色(sè)LED芯片光譜的(dí)信(xìn)息，它(tā)無法再(zài)現光(guāng)分布的顏色(sè)變化，在(zài)光(guāng)斑不(bù)同(tóng)位置的(dí)光譜形(xíng)狀(zhuàng)都(dū)是(shì)一樣(yàng)的。圖8的插(chā)圖就(jiù)是(shì)模(mó)擬(nǐ)的(dí)光斑分布。圖像(xiàng)中的(dí)輕(qīng)微不(bù)均匀是(shì)由於不同的(dí)統(tǒng)計(jì)數據造成(chéng)的，在模型中，圖像的(dí)中(zhōng)心使用了(liǎo)更多的光綫(xiàn)。

圖八：光(guāng)學模(mó)擬

為了(liǎo)改(gǎi)善(shàn)這種(zhǒng)情(qíng)況(kuàng)，通(tōng)常(cháng)的做法是為(wéi)一個led封(fēng)裝提供兩(liǎng)個(gè)光綫數據(jù)集，一個用(yòng)於(yú)藍色(sè)光譜區域(yù)，另(lìng)一個用(yòng)於黃色(sè)光譜區域，然(rán)而在模擬結(jié)果中(zhōng)還是(shì)有(yǒu)很大的局(jú)限(xiàn)性。

第二組數據基(jī)於(yú)七個光(guāng)綫數據集，這(zhè)些光(guāng)綫數據集使(shǐ)用了(liǎo)圖4的濾光片，還(huán)使用了圖(tú)5所(suǒ)示的(dí)輻射數據。仿(fǎng)真結果如圖(tú)9所示(shì)。模擬(nǐ)的光(guāng)譜再次(cì)按紅色(sè)峰(fēng)被歸一(yī)化(huà)。與(yǔ)一(yī)組隻依賴(lài)v（λ）濾波器的(dí)模擬(nǐ)不(bù)同(tóng)，這次模擬準(zhǔn)確地再(zài)現(xiàn)了光(guāng)斑不同位置(zhì)的(dí)光譜變化(huà)。

圖九：仿真結果(guǒ)

下(xià)一步實驗中(zhōng)，光學(xué)係(xì)統增(zēng)加聚光透鏡進(jìn)行(háng)擴(kuò)展。模擬結(jié)果再(zài)次與測量結果進(jìn)行了(liǎo)比較。圖(tú)10為實際(jì)光學係統光(guāng)斑不(bù)同(tóng)位(wèi)置的光譜測(cè)量(liáng)情況(kuàng)。光(guāng)譜形(xíng)狀以及對光譜的(dí)積分（亮(liàng)度(dù)）在光(guāng)斑上分布(bù)保(bǎo)持不(bù)變(biàn)。隻有在(zài)光分(fēn)布的邊緣(yuán)（點(diǎn)1和(hé)點9），光譜才偏離其(qí)均匀(yún)分(fēn)布。這(zhè)種(zhǒng)情況可以(yǐ)被模擬(nǐ)準確(què)地(dì)再現(xiàn)，如(rú)圖11所(suǒ)示(shì)。

圖(tú)十:加聚光鏡實際測試結果(guǒ)

圖十一(yī)：加(jiā)聚(jù)光鏡仿(fǎng)真(zhēn)結果

現在，我們(mén)將使(shǐ)用的光源模(mó)型的數據(jù)用來(lái)計(jì)算色坐標和顯色指(zhǐ)數。在(zài)例(lì)子中(zhōng)，僅用v（λ）濾波(bō)器進(jìn)行(háng)的(dí)模(mó)擬不(bù)能重現光的(dí)分布情況，屏幕(mù)區域色溫4800 K。在使(shǐ)用(yòng)七個(gè)帶通(tōng)濾(lǜ)波(bō)器測試(shì)的第二(èr)組數據模擬例(lì)子(zǐ)，計算(suàn)結果(guǒ)如下(xià)圖12。 

圖十(shí)二：模(mó)擬(nǐ)結果(guǒ)色(sè)溫(wēn)在(zài)2400 K和5900 K之(zhī)間，Ra值(zhí)在92到(dào)86之間

由(yóu)於在(zài)整(zhěng)個發光半(bàn)球上采集了光綫(xiàn)數據(jù)，並整合進了詳(xiáng)細(xì)的(dí)光(guāng)譜(pǔ)信息(xī)，模(mó)擬結(jié)果(guǒ)與(yǔ)實際測量情(qíng)況(kuàng)符合一致(zhì)。

結(jié)論

使用新技術建立(lì)的光源(yuán)模(mó)型在光(guāng)學模(mó)擬中能真(zhēn)實表現(xiàn)光綫(xiàn)在空(kōng)間分布(bù)中的光譜(pǔ)和顏(yán)色(sè)況。與(yǔ)使(shǐ)用藍色/黃(huáng)色或基於(yú)三刺激值濾波器相(xiāng)比，它顯著(zhù)地(dì)擴大了模擬(nǐ)中可呈現的細節，這(zhè)種(zhǒng)技術的優點是建立的(dí)光源(yuán)模型，尤其是對(duì)於光譜會(huì)隨(suí)著位置與(yǔ)角度(dù)變化較大的光(guāng)源(yuán)。

這種光源(yuán)通(tōng)常出(chū)現(xiàn)在白色LED封(fēng)裝或(huò)有多(duō)個(gè)不同(tóng)顏色LED芯片組成的(dí)封裝(zhuāng)中，還有(yǒu)些(xiē)情(qíng)況，即(jí)使使(shǐ)用同類型的LED，它(tā)們的發(fā)射光譜(pǔ)也可(kě)能因製造過(guò)程(chéng)中的(dí)變化(huà)而變化(huà)。針對所有(yǒu)情況，在應用中仍可以準(zhǔn)確(què)模(mó)擬出光(guāng)分(fēn)布的(dí)顏(yán)色坐標(biāo)和(hé)顯(xiǎn)色(sè)指(zhǐ)數(shù)。

文中(zhōng)使(shǐ)用(yòng)儀(yí)器(qì)為德(dé)國Opsira的多光(guāng)譜近場測試儀(yí)

Gonio 2π光源近場測試(shì)係(xì)統(tǒng)

Gonio 4π光源近場(cháng)測試係統(tǒng)

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