光源近场光学分布测试浅述

LED光学设计是照明产品非常重要的一个环节，在光源近场测角光度仪问世之前，对于一次光源的模型只能靠光学设计工程师的本事与仿真软件进行“理论建模”。由于理论建模与实际模型存在差异，这样的建模方式存在两大问题，一是透镜多半需要重复开模，费用昂贵;二是产品开发时间长。因此，光源近场测角光度仪的问世，是赐给光学设计工程师最好的礼物。近些年，随着我们对LED产品光学品质的要求越来越高，对于光源近场光学分布模型的需求也不断地在增长，无论是LED光源制造商还是透镜生产厂商，都需要光源的光学分布模型。那么，什么是光源近场光学分布模型?如何利用光源近场测角光度仪获得近场模型?近场测试可生成什么类型的文件以及如何利用这些生成的各种文档?另外，对于不常规的灯珠，例如大功率模组、裸晶、5面发光的CSP等光源，又可如何处理?金鉴检测工程师将会一一为您解答。

1. 光源近场光学分布模型及测试原理

目前在LED光学设计过程中，一般采用两种模型对光源进行模拟，分别是“光源远场模型”和“光源近场模型”。在了解光源近场模型之前，先简单介绍大家熟悉的光源远场模型。

光源远场模型是将光源看作一个点光源，所有光线从同一个点出射，一般情况下点光源的出光是各向同性的。光源远场模型由远场分布光度计测得，分布光度计通常包含一个用于支承及定位被测光源的机械结构(转台)和光度探测器。根据CIE70的要求，在测量时光源和探测器的距离需要足够远(一般要求测量距离应至少为LED光源最大发光口面的5倍)，此时光源可被认为是点光源。

对于LED光源，特别是白光光源，由于电极设计、芯片结构以及荧光粉涂敷方式等影响，其表面的亮度和颜色并不是均匀分布的。如图1所示，可看出每颗芯片的亮度以及光源表面的颜色分布并不完全一致。对LED光源进行二次光学设计，采用远场模型获取的光源信息比较粗糙，不能准确反映LED光源表面的亮度、色度空间分布差异等问题，难以对光源实现精确的二次光学设计。因此准确测量光源自身的发光模型对光学设计和模拟结果的准确性至关重要。

a) 真彩图                                           b) 伪颜色图

图1白光LED光源表面亮度分布图

也就是说，与光源远场模型最本质的区别是，光源远场模型是将光源看作一个点光源，而光源近场模型则是将光源看作一个复杂的面光源。光源的形态用平面来表示，所有光线从光源的表面出射。近场模型更接近LED光源的实际出光情况，测量可获得所测平面内各点的亮度、色度值，为LED光源的光学设计提供更为准确、详尽的数据。

光源近场模型可以由近场分布光度计测得。如图2 a)所示，近场分布光度计由分布光度计和成像亮度计组成，成像亮度计代替分布光度计中的光度探测器。成像亮度计采用二维光学接收元件(如CCD)，一次取样可以实现所测平面内各点的亮度值的测量。近场分布光度计中的成像亮度计面对被测LED光源，直接接收LED光源的光线束。由被测光源发出的光束都具有可测量的与距离无关的亮度值，通过测量被测LED光源表面各发光点在空间各个方向的亮度值，用光线追踪的方法可准确地得到LED光源的每一个平面的照度分布、空间光强分布和总光通量等光度参数，而且与测试距离、方向或LED表面的曲率半径无关。如果要测量色度信息，成像亮度计换成成像色度计即可得到LED光源空间色度分布。

如图2 b)所示，测量过程中光源可绕着自身机械轴转动，成像亮/色度计从空间各个角度拍摄光源影像，每个指定角度的测量结果都包含亮度和颜色信息，构建光源亮度和色度输出的三维空间图像。测量结束后，测量软件将这些图像整合为描述光源亮度和色彩分布的近场模型，并以光强形式给出，光强I(x,y,z,θ,φ)是位置(x,y,z)和角度(θ,φ)的函数。如果进行了色彩和光谱测量，这个函数还会包含色坐标值或光谱。光源近场模型可生成射线集，用于光学设计和外推光源的远场分布。

图2 a)　近场光学分布光度计结构示意图

图2 b)　近场光学分布光度计原理示意图

2. 光源近场模型的类型及应用

总的来说，光源近场模型可分为以下几类：

a. 只包含光源的亮度或辐射度分布信息，不含颜色信息

基本上所有的仿真软件都支持此类型的光学文件，但是因为没有颜色信息，不能对光源的颜色进行准确仿真。一般来说，此类近场模型可适用于单色光(亮度)或不可见光(辐射度)光源的测试。金鉴检测配置的SIG 400可测试波长在350 nm～1000 nm范围内的光源近场模型，其中即包含了紫外和红外不可见光的测试。

图3　只含亮度信息的光源近场模型在专业分析软件中打开界面

b. 包含亮度和色度(三刺激值)的分布信息，不包含光谱信息

支持此类型的光学文件的仿真软件有限，例如业界常用的Tracepro光学仿真软件则不可使用此类型光学文件进行颜色方面的模拟。另外，因每条光线不包含光谱特性，如果照明系统中包含反射或者色散的材料或部件，则无法准确仿真光线的色散效果，难以保证接收器上色度的准确。

图4　只含亮度、色度(三刺激值)信息的光源近场模型在专业分析软件中打开界面

c. 包含亮度和色度的分布信息，同时包含光谱信息

目前大多数主流的仿真软件都支持此类型的光学文件，可以准确模拟光源的色度以及光度的分布情况。而且，如图6所示，此类近场模型可获得光源在空间任意位置的光谱分布图。

图5包含光谱信息的光源近场模型在专业分析软件中打开界面

图6　光源在空间某一位置的光谱分布图

以上提及的b类和c类近场模型均可利用Tracepro软件仿真得到如图7所示的照度(强度量)分布图，前面也已提到业界常用的Tracepro光学仿真软件不可使用不包含光谱信息的近场模型文档进行颜色方面的模拟，但是当含有光谱信息的时候，7.0版本以上的Tracepro软件即可准确地模拟光源的颜色，两者的区别可见图8 a)与图8 b)，图中所用光源是暖白LED。

图7　利用Tracepro软件仿真得到的照度分布图

图8 a) TracePro仿真真彩图(不含光谱)

图8 b)　TracePro仿真真彩图(含光谱)

对于用户而言，可根据自己的需要选择测量哪种类型的近场模型，金鉴检测配置的SIG 400含有光谱仪配件，可全面覆盖以上提及的3种类型的近场测试。那得到的近场模型怎么使用呢?

近场测试得到的近场模型并不能直接应用于光学仿真软件，需要通过专业光源分析软件生成对应光学仿真软件的包含任意光线数量的光线集文档，方可导入到对应的光学仿真软件中进行光学模拟，如市面上常用的仿真软件LightTools、TracePro、 ASAP、FRED、Zemax、LucidShape、Opticad、OSLO、SimuLux、SPEOS等。由于近场模型是光源的完整描述，因此可用它来随意生成和再生光线集(初步设计时使用较少的光线和最终设计时使用大量的光线)，从而使整体设计过程更为高效。

3. 特殊光源的测试方法

金鉴检测配备的美国Radiant公司的SIG-400光源近场光学分布测试系统(如图9)，专为LED灯珠、COB、模组等小光源设计，同时配备了Radiant公司最新版本的专业光源分析软件ProSource10.2.2，可生成适用于各种主流光学照明设计软件的光线集。同时对于一些特殊的LED光源，该中心经过自主研究验证，也可实现精确测量。

图9　SIG-400光源近场光学分布测试系统 　图10　ProSource光源模型分析软件

a. LED芯片(裸晶)

对于LED芯片的光学测量，一般分为不带封装测量和带封装测量两种类型。如果是不带封装测量，和芯片直接接触的是空气，而实际LED封装应用一般会采用硅胶对芯片进行保护及提高光效，芯片出光会受光溢出角的影响，测量的亮度和光通量一般会和封装后的表面亮度有较大的差别。因此若测试时芯片直接接触空气，则不能准确获得使用情况下芯片的近场光源模型。如果是带封装测量，由于封装的形状和结构会影响LED本身的出光效果，因此其测量的结果只能对特定的封装形式有效。

针对以上问题，金鉴检测对于LED芯片近场测试，提供了一种特定的光源模型结构(如图11)，通过模拟一种简单的封装形式，同时用近场测量设备测其在不同角度的亮度分布，得到光源的近场分布数据。由于玻璃球和折射率匹配液的相关参数已知(折射率十分接近常用硅胶的折射率)，通过逆向追迹方法可以得到LED芯片表面的真实出光情况，继而可以在光学软件中模拟任意封装条件下的出光效果。

图11裸晶近场测试专用治具

b. 大功率光源(COB或模组)

对于小功率LED，可直接焊在普通的薄铝基板上即可达到散热的目的。但对于大功率LED，需要的散热器比较大，甚至比较厚，因近场测量时样品与色度计的距离很近，如果样品的散热器比较大或厚，亮度计则无法聚焦，进而不能准确测量。为此，金鉴检测自主研发了一套控温装置，可解决大功率LED(高至150W)的散热问题，进而可实现大功率LED的近场测量。同时，此控温装置可控温度范围是0～100 ℃，可满足客户在指定温度下测量的要求。

c. 五面发光的CSP光源

目前比较热门的CSP光源，特别是五面发光的光源，因其体积小，有的产品功率又大，如果焊在传统的铝基板上焊线点亮测试，焊点和焊线可能会部分挡光，且会造成一些杂散光。金鉴检测针对此类型CSP光源设计了一种特殊的散热板，完美地解决了焊点与焊线的挡光问题以及散热问题，可更精确地进行近场测量。

        ymf