LED和LED燈具全空間分布光度測(cè)量技術(shù)

摘要：LED這一新興光源在光學(xué)特性、燈具設(shè)計(jì)和照明應(yīng)用等方面與傳統(tǒng)光源有很大的差別，遠(yuǎn)距離下測(cè)得的空間光強(qiáng)分布不足以完全表征LED或LED燈具的空間光度特性，這給LED和LED燈具開發(fā)和應(yīng)用帶來(lái)了挑戰(zhàn)。隨著近年來(lái)測(cè)光技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，光源和燈具的全空間分布光度測(cè)量成為可能，它能為L(zhǎng)ED和LED燈具提供空間各方向的亮度分布、光強(qiáng)分布和全空間任意截面的照度分布等詳盡的空間光度量。
　1. LED和LED燈具的特點(diǎn)

　　隨著半導(dǎo)體照明的進(jìn)一步快速和深入發(fā)展，LED在道路照明、室內(nèi)照明、汽車燈、手提燈具等多個(gè)領(lǐng)域等到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，而同時(shí)，業(yè)界對(duì)LED燈具的二次光學(xué)設(shè)計(jì)以及利用LED燈具的空間光度數(shù)據(jù)進(jìn)行照明設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越高。

　　就單顆封裝LED而言，由于透鏡作用不能將其簡(jiǎn)單地視作點(diǎn)光源[1]，LED燈具通常由多顆LED組成，LED燈具一般具有復(fù)雜的幾何外形和出光面;在距離燈具較遠(yuǎn)處和較近處的光分布會(huì)存在明顯的差別，并且某些部位還會(huì)由于亮度高而產(chǎn)生嚴(yán)重的眩光。上述很多LED和LED燈具的空間光分布特點(diǎn)是傳統(tǒng)的光強(qiáng)分布所不能表征的。

　　2. 全空間分布光度學(xué)概述

　　為了完全表征上述LED和LED燈具的空間光分布特性，需要使用全空間光度學(xué)為真實(shí)的光源建立模型。在全空間分布光度學(xué)中，用戶能夠了解光源或燈具的光從哪里出來(lái)，射向哪個(gè)方向，各光線的通量是多少，在空間任意距離下任一截面內(nèi)的照度分布，以及從不同方向觀察光源或燈具的亮度分布，如圖1所示。

典型大功率LED

該大功率LED的光線分布

用該LED設(shè)計(jì)成小LED燈具

圖1：全空間分布光度參量示意圖

　3. 全空間分布光度的測(cè)量方法

　　全空間分布光度的測(cè)量包括近場(chǎng)測(cè)量、遠(yuǎn)距離測(cè)量以及軟件的校準(zhǔn)和推導(dǎo)計(jì)算。遠(yuǎn)距離測(cè)量與傳統(tǒng)方法相似，在距光源或燈具較遠(yuǎn)處測(cè)量其照度和光強(qiáng)值。近場(chǎng)分布光度計(jì)是全空間分布光度測(cè)量的關(guān)鍵，近場(chǎng)分布光度計(jì)由分布光度計(jì)和具有2維CCD陣列的成像亮度計(jì)組成，成像亮度計(jì)能夠通過一次取樣測(cè)得光源或燈具在某一方向的發(fā)光平面內(nèi)各點(diǎn)的亮度值。[!--empirenews.page--]

　　3.1 亮度分布

　　如圖2所示，在旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)下，近場(chǎng)分布光度計(jì)中的成像亮度計(jì)繞被測(cè)光源轉(zhuǎn)動(dòng)，在包圍被測(cè)光源的球面上測(cè)量被測(cè)光源在各方向的亮度分布。通過亮度分布可以直觀地得到LED和LED燈具在給定角度下的亮度分布，并進(jìn)而可以得到該角度下的發(fā)光面面積、最大亮度和平均亮度等信息。該方法能夠方便準(zhǔn)確地測(cè)量出LED路燈閃亮面積。

成像亮度計(jì)在包圍球面上測(cè)量亮度分布

LED路燈的76°方向亮度(閃亮面積)

圖2：近場(chǎng)分布光度計(jì)的亮度分布測(cè)量

　　3.2 光線分布

　　根據(jù)亮度分布推導(dǎo)出光線分布，通過軟件生成數(shù)百萬(wàn)條光線，每根光線都包括起點(diǎn)位置、方向向量和通量[2]。

亮度分布測(cè)量示意圖

將像元變換到C坐標(biāo)系

D坐標(biāo)系和S坐標(biāo)系

圖3：近場(chǎng)光度計(jì)光線分布計(jì)算的坐標(biāo)系

由亮度分布推導(dǎo)光線分布需要進(jìn)行大量復(fù)雜的運(yùn)算，一般包括以下主要步驟：

　　1)將(i,j)像元變換為以包圍球面上的點(diǎn)為原點(diǎn)的C坐標(biāo)系;

　　2)將C坐標(biāo)下的亮度用立體角面元和包圍球面面元加權(quán)，求得在各包圍球面面元在立體角元的通量

　　3)將坐標(biāo)變換到以轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)的D坐標(biāo)系;

　　4)將坐標(biāo)變換到以被測(cè)光源為中心的S坐標(biāo)系。[!--empirenews.page--]

　　3.3光強(qiáng)分布

　　光強(qiáng)是將被測(cè)光源視作點(diǎn)光源，考察其在空間給定方向的立體角元內(nèi)的光通量。為將LED和LED燈具視作點(diǎn)光源，理想的測(cè)量或計(jì)算的光強(qiáng)距離應(yīng)為無(wú)窮遠(yuǎn)。全空間分布光度計(jì)可與傳統(tǒng)光強(qiáng)測(cè)量方法相同，利用長(zhǎng)距離的光度探頭測(cè)量照度，并通過距離平方反比定律近似計(jì)算出遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)：，d為測(cè)量距離。但對(duì)一些出光面大、光束窄、出光較為復(fù)雜的LED燈具，光強(qiáng)值會(huì)因?yàn)閐不夠大而存在較大誤差，如圖4所示，當(dāng)測(cè)量距離d不夠時(shí)，探測(cè)器接收到的光線的方向會(huì)與光強(qiáng)的方向不一致。

測(cè)量距離不夠大時(shí)的光線接收方向

測(cè)量距離足夠大時(shí)的光線接收方向

圖4：光強(qiáng)測(cè)量中探測(cè)器接收的光線示意圖

　在全空間分布光度計(jì)中，還可以使用光線追蹤的方法計(jì)算出遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)分布：利用已知的光線分布，將光線追蹤到無(wú)窮遠(yuǎn)處，此時(shí)被測(cè)LED或LED燈具可被視作點(diǎn)光源，僅需考慮所有方向位于立體角元內(nèi)的光線，如圖4所示，計(jì)算表達(dá)式為：

　　(2)

　　其中，為光強(qiáng)方向，為該方向的立體角元。

　　3.4 空間照度分布

　　照度是指單位面積上的光通量，即。在傳統(tǒng)的光度學(xué)中一般是根據(jù)由分布光度計(jì)所測(cè)得的燈具的空間光強(qiáng)分布即配光曲線，通過照度平方反比定律，來(lái)計(jì)算各個(gè)距離下的照度分布、平面等照度曲線、空間等照度曲線等空間照度分布特性的。如圖5所示，對(duì)于點(diǎn)光源，這種方法是合適的;但是對(duì)于LED和LED燈具，至少由于以下兩點(diǎn)會(huì)存在較大誤差：

　　首先，發(fā)光面較大、出光面復(fù)雜的LED或LED燈具射入某一面元的光線方向與LED或LED燈具中心點(diǎn)到該面元的方向即光強(qiáng)計(jì)算方向存在很大差異，因此實(shí)際射入該面元的各光線光通量之和與通過光強(qiáng)計(jì)算出的光通量相應(yīng)存在很大差異;

　　其次，如圖5所示，受單顆LED光束角的限制，左側(cè)LED的光線是不能到達(dá)面元dA和dA’的，而遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布僅表征整體配光效果，卻不能反映出這些細(xì)節(jié)。

點(diǎn)光源照射到不同距離下的面元的光線

典型LED燈具照射到在不同距離下的面元的光線

圖5：照度到任一面元內(nèi)的光線

　　在全空間分布光度學(xué)中，通過光線追蹤的方法求得落在空間任一面元的光線光通量，即任一截面的照度，而無(wú)論該截面在何位置，是否為曲面。

　　通過光線追蹤法，設(shè)計(jì)師能夠了解LED和LED燈具的空間光分布細(xì)節(jié)，全面掌握LED和LED燈具的光度特性，從而能更為科學(xué)合理地進(jìn)行LED燈具設(shè)計(jì)和照明設(shè)計(jì)。全空間分布光度學(xué)給燈具開發(fā)和照明設(shè)計(jì)帶來(lái)的影響是具有革命性的。

　　3.5 總光通量的精確測(cè)量

　　全空間分布光度計(jì)若在近場(chǎng)配置了余弦性能優(yōu)良的精密光度探頭，則利用該光度探頭使用基準(zhǔn)級(jí)方法，即照度積分法測(cè)量的總光通量[3]：測(cè)量包圍LED或LED燈具的球面各面元照度，對(duì)面積積分求得總光通量，表達(dá)式為，E為面元dA處的照度。LED和LED燈具總光通量以及部分光通量也可以利用光線分布計(jì)算出來(lái)。

　　3.6 全空間分布光度的校準(zhǔn)

　　全空間分布光度測(cè)量包括近場(chǎng)測(cè)量和遠(yuǎn)距離測(cè)量。對(duì)光源的近場(chǎng)亮度分布測(cè)量能夠推導(dǎo)出光線分布、遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布以及任意距離下的照度分布等光源空間光分布的細(xì)節(jié)，但現(xiàn)有成像亮度計(jì)在V(λ)光譜匹配和線性等方面的性能不如高精度光度探頭，其測(cè)量值的絕對(duì)值精度可以通過近場(chǎng)光度計(jì)校準(zhǔn)而達(dá)到很高水平。同時(shí)，在全空間分布光度測(cè)量中，用遠(yuǎn)距離測(cè)得的被測(cè)光源的照度值/光強(qiáng)值來(lái)校準(zhǔn)用光線追蹤方法推導(dǎo)出的相應(yīng)量值。近場(chǎng)測(cè)量和遠(yuǎn)距離測(cè)量相結(jié)合能夠得到精確、詳盡的LED和LED燈具的空間光分布特性量值。[!--empirenews.page--]

　　4. 全空間分布光度測(cè)量專業(yè)設(shè)備簡(jiǎn)介

　　如上所述，全空間分布光度計(jì)中的近場(chǎng)分布光度計(jì)是實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵。該設(shè)備得到了國(guó)際社會(huì)測(cè)光界的重視，國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)專門成立了技術(shù)委員會(huì)TC2-62來(lái)研究和標(biāo)準(zhǔn)化近場(chǎng)分布光度計(jì)，我國(guó)杭州遠(yuǎn)方公司也參加了該技術(shù)委員會(huì)的工作。在專業(yè)設(shè)備方面，除了圖2所示的德國(guó)產(chǎn)近場(chǎng)分布光度計(jì)外，我國(guó)在863項(xiàng)目的扶持下，也由遠(yuǎn)方公司成功開發(fā)了具有核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全空間分布光度計(jì)，如圖6所示，該全空間分布光度計(jì)具備了近場(chǎng)測(cè)量(第一探測(cè)器D1)和遠(yuǎn)距離測(cè)量(第三探測(cè)器D3)功能，并在近場(chǎng)同時(shí)配備了高精度光度探頭和CCD成像亮度計(jì)。目前該全空間分布光度計(jì)已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外部分大型LED燈具制造商率先使用，獲得了用戶的一致好評(píng)。

總體結(jié)構(gòu)和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量示意圖

近場(chǎng)高精度光度探頭測(cè)量示意圖

場(chǎng)成像亮度計(jì)實(shí)現(xiàn)示意圖

實(shí)物照片

圖3：我國(guó)自行研發(fā)設(shè)計(jì)并擁有核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全空間分布光度計(jì)

　　5. 小結(jié)

　　隨著半導(dǎo)體照明的深入發(fā)展，對(duì)全面客觀表征LED和LED燈具的要求也越來(lái)越高，全空間分布光度測(cè)量技術(shù)的研發(fā)成功為解決這些問題提供解決辦法。全空間光度學(xué)能夠?yàn)檎鎸?shí)的光源建立模型，用戶能夠直觀且精確地得到光源或燈具的光線分布，全空間任一截面(平面或這曲面)內(nèi)的照度分布，遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布以及從不同方向觀察光源或燈具的亮度分布等重要參量。這些量值都是傳統(tǒng)的光度測(cè)量所不能夠?qū)崿F(xiàn)的，全空間光度測(cè)量技術(shù)必將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，對(duì)光源測(cè)量和光學(xué)設(shè)計(jì)帶來(lái)革命性的影響。

　　在國(guó)家863項(xiàng)目的扶持下，我國(guó)率先成功開發(fā)了擁有核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全空間分布光度計(jì)系統(tǒng)，并且憑借技術(shù)優(yōu)勢(shì)，該全空間分布光度計(jì)的開發(fā)單位杭州遠(yuǎn)方光電信息有限公司參與了CIE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研制工作。目前該全空間分布光度計(jì)已經(jīng)為國(guó)內(nèi)外多家LED燈具測(cè)量實(shí)驗(yàn)室和大型制造商使用，獲得了一致好評(píng)。