LED和LED燈具全空間分布光度測(cè)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(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(kāi)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。本文將重點(diǎn)介紹LED和LED燈具的全空間分布光度測(cè)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(chǎng)分布光度計(jì)，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(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(guò)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。

　　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(guò)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(guò)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。

　　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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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。

　　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(mén)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(kāi)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(wèn)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(kāi)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(kāi)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)。

　　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