LED和其它复杂光源建模.docx
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LED和其它复杂光源建模
LED和其它复杂光源建模
本文由Opticsstar从zemaxknowledgebase翻译,转载需注明出处。
ZEMAX公司感谢RadiantImaging,OpsiraandLumileds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LuxeonLED,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(luminousintensity)为Candela(Lumens.steradian-1)而辐射度将为Candela.m-2.
使Source_Radial
Source_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LuxeonEmitterRed(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)
RelativeIntensity
(ArbitraryUnits)
0
60
5
60
10
60
15
64
20
68
25
72
30
90
35
100
40
95
45
85
50
60
55
25
60
9
65
4
70
0
75
0
80
0
85
0
90
0
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datasheet告诉我们,光源直径6mm,典型输出为27lumens:
这一数据也被添加到source_radial。
通过30条layout光线和10Manalysis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:
SpatialData
(Illuminance,inLux)
AngularData
(LuminousIntensity,inCandela)
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sourceradiance或光源照度sourceluminance.
使用RadiantImaging公司的ProSource
RadiantImaging ()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RadiantImaging的网站下载。
本文建模了一个LuxeonLXLH-BD01LED,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。
RadiantImaging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
∙Therayswillbegeneratedover2πsteradians
∙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"Randomizerays"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:
Spatialdata
(Illuminance,inLux)
AngularData
(LuminousIntensity,inCandela)
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ZEMAXray-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ZEMAXdetector窗口可以看到两个LEDemitter的ghostimages,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LucaRaymaker
Opsira(www.opsira.de)的LucaRaymaker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RadiantSources同样的方式追迹。
BuildingaComplexGeometricModel
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LEDdie,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>RayDatabaseViewer)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,但是通过一个测量的光源文件初始发光。
此图版权归RadiantImaging所有,这里被允许使用。
总结和参考
本文描述了一些LEDs及其它复杂光源建模的技术:
最早的方法,在没有实验数据情况下最好的,是使用source_radial或其它built-in光源
实验数据,例如RadiantImaging和Opsira和所提供的,提供了最好的精度并且易于使用
当光线会再次成像在光源对象上时,复杂光源模型非常有用
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