LED和LED燈具全空間分布光度測量技術(shù)

杭州遠(yuǎn)方光電信息有限公司 潘建根 李倩

Email: everfine@everfine.cn

　　摘要：LED這一新興光源在光學(xué)特性、燈具設(shè)計和照明應(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)用帶來了挑戰(zhàn)。隨著近年來測光技術(shù)的長足發(fā)展，光源和燈具的全空間分布光度測量成為可能，它能為LED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。本文將重點(diǎn)介紹LED和LED燈具的全空間分布光度測量技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的專業(yè)設(shè)備。

　　關(guān)鍵詞：LED，LED燈具，近場分布光度計，亮度，光強(qiáng)分布、光線追蹤

　　Full-field Goniophotometry for LEDs and LED Luminaires

　　Jiangen Pan Qian Li

　　EVERFINE CO., LTD.

　　Email: everfine@everfine.cn

　　Abstract: Comparing with traditional light source, LED has distinguished differences in the respect of optical property, fixture design and lighting application, the luminous intensity distribution measured in long distance can not character the photometry of LED and LED luminares sufficiently, and this bring challenges to the development and application of LED luminaires. Recent years, the measurement technique has quiet great progress, which makes the full-field photometry possible. In the full-field photometry, the luminance distribution in various directions, the luminous distribution and the illuminance distribution in an arbitrary surface, and so on can be provided. This paper will introduce the metrics of full-field photometery and the measuring equipment.

　　Keywords: LED, LED luminaire, full-field goniophotometer, luminance, ray tracing

　　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、手提燈具等多個領(lǐng)域等到了越來越廣泛的應(yīng)用，而同時，業(yè)界對LED燈具的二次光學(xué)設(shè)計以及利用LED燈具的空間光度數(shù)據(jù)進(jìn)行照明設(shè)計的要求也越來越高。

　　就單顆封裝LED而言，由于透鏡作用不能將其簡單地視作點(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存在明顯的差別，并且某些部位還會由于亮度高而產(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，射向哪個方向，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量方法

　　全空間分布光度的測量包括近場測量、遠(yuǎn)距離測量以及軟件的校準(zhǔn)和推導(dǎo)計算。遠(yuǎn)距離測量與傳統(tǒng)方法相似，在距光源或燈具較遠(yuǎn)處測量其照度和光強(qiáng)值。近場分布光度計是全空間分布光度測量的關(guān)鍵，近場分布光度計由分布光度計和具有2維CCD陣列的成像亮度計組成，成像亮度計能夠通過一次取樣測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。

　　3.1 亮度分布

　　如圖2所示，在旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動下，近場分布光度計中的成像亮度計繞被測光源轉(zhuǎn)動，在包圍被測光源的球面上測量被測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)確地測量出LED路燈閃亮面積。

成像亮度計在包圍球面上測量亮度分布

LED路燈的76方向亮度(閃亮面積)

圖2：近場分布光度計的亮度分布測量

　　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：近場光度計光線分布計算的坐標(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)變換到以被測光源為中心的S坐標(biāo)系。

　　3.3光強(qiáng)分布

　　光強(qiáng)是將被測光源視作點(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，理想的測量或計算的光強(qiáng)距離應(yīng)為無窮遠(yuǎn)。全空間分布光度計可與傳統(tǒng)光強(qiáng)測量方法相同，利用長距離的光度探頭測量照度，并通過距離平方反比定律近似計算出遠(yuǎn)場光強(qiáng)：，d為測量距離。但對一些出光面大、光束窄、出光較為復(fù)雜的LED燈具，光強(qiáng)值會因?yàn)閐不夠大而存在較大誤差，如圖4所示，當(dāng)測量距離d不夠時，探測器接收到的光線的方向會與光強(qiáng)的方向不一致。

測量距離不夠大時的光線接收方向

測量距離足夠大時的光線接收方向

圖4：光強(qiáng)測量中探測器接收的光線示意圖

　　在全空間分布光度計中，還可以使用光線追蹤的方法計算出遠(yuǎn)場強(qiáng)分布：利用已知的光線分布，將光線追蹤到無窮遠(yuǎn)處，此時被測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)由分布光度計所測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，來計算各個距離下的照度分布、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，對于點(diǎn)光源，這種方法是合適的;但是對于LED和LED燈具，至少由于以下兩點(diǎn)會存在較大誤差：

　　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，而無論該截面在何位置，是否為曲面。

　　通過光線追蹤法，設(shè)計師能夠了解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)計和照明設(shè)計。全空間分布光度學(xué)給燈具開發(fā)和照明設(shè)計帶來的影響是具有革命性的。

　　3.5 總光通量的精確測量

　　全空間分布光度計若在近場配置了余弦性能優(yōu)良的精密光度探頭，則利用該光度探頭使用基準(zhǔn)級方法，即照度積分法測量的總光通量[3]：測量包圍LED或LED燈具的球面各面元照度，對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算出來。

　　3.6 全空間分布光度的校準(zhǔn)

　　全空間分布光度測量包括近場測量和遠(yuǎn)距離測量。對光源的近場亮度分布測量能夠推導(dǎo)出光線分布、遠(yuǎn)場光強(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，其測量值的絕對值精度可以通過近場光度計校準(zhǔn)而達(dá)到很高水平。同時，在全空間分布光度測量中，用遠(yuǎn)距離測得的被測光源的照度值/光強(qiáng)值來校準(zhǔn)用光線追蹤方法推導(dǎo)出的相應(yīng)量值。近場測量和遠(yuǎn)距離測量相結(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。

　　4. 全空間分布光度測量專業(yè)設(shè)備簡介

　　如上所述，全空間分布光度計中的近場分布光度計是實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵。該設(shè)備得到了國際社會測光界的重視，國際照明委員會(CIE)專門成立了技術(shù)委員會TC2-62來研究和標(biāo)準(zhǔn)化近場分布光度計，我國杭州遠(yuǎn)方公司也參加了該技術(shù)委員會的工作。在專業(yè)設(shè)備方面，除了圖2所示的德國產(chǎn)近場分布光度計外，我國在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產(chǎn)權(quán)的全空間分布光度計，如圖6所示，該全空間分布光度計具備了近場測量(第一探測器D1)和遠(yuǎn)距離測量(第三探測器D3)功能，并在近場同時配備了高精度光度探頭和CCD成像亮度計。目前該全空間分布光度計已經(jīng)被國內(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。

總體結(jié)構(gòu)和遠(yuǎn)場測量示意圖

近場高精度光度探頭測量示意圖

場成像亮度計實(shí)現(xiàn)示意圖

實(shí)物照片

圖3：我國自行研發(fā)設(shè)計并擁有核心知識產(chǎn)權(quán)的全空間分布光度計

　　5. 小結(jié)

　　隨著半導(dǎo)體照明的深入發(fā)展，對全面客觀表征LED和LED燈具的要求也越來越高，全空間分布光度測量技術(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)的光度測量所不能夠?qū)崿F(xiàn)的，全空間光度測量技術(shù)必將發(fā)揮越來越重要的作用，對光源測量和光學(xué)設(shè)計帶來革命性的影響。

　　在國家863項(xiàng)目的扶持下，我國率先成功開發(fā)了擁有核心自主知識產(chǎn)權(quán)的全空間分布光度計系統(tǒng)，并且憑借技術(shù)優(yōu)勢，該全空間分布光度計的開發(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已經(jīng)為國內(nèi)外多家LED燈具測量實(shí)驗(yàn)室和大型制造商使用，獲得了一致好評。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] CIE127-1997 Measurement of LEDs

　　[2] Draft of CIE TC 2-62 technical report

　　[3] CIE 84-1989 Measurement of flux