LED和其它复杂光源建模.doc

LED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，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.steradian-1）而辐射度将为Candela.m-2.使Source_RadialSource_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：Angle(degree)Relative Intensity(Arbitrary Units)06056010601564206825723090351004095458550605525609654700750800850900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：Spatial Data(Illuminance, in Lux)Angular Data(Luminous Intensity, in Candela)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Radiant Imaging公司的ProSourceRadiant 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 will be generated over 2p 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:Spatial data(Illuminance, in Lux)Angular Data(Luminous Intensity, in 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ZEMAX 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！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Opsira公司的Luca RaymakerOpsira (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。Building a Complex Geometric Model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