在LED光學(xué)設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)方法多以LED光源的遠(yuǎn)場測試數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)依據(jù)，而遠(yuǎn)場測試僅僅是對LED光源相對粗糙的測量，并不能精確地描述光源的空間光分布情況。對LED光源詳細(xì)空間光分布信息的獲取，即LED光線集的獲取已經(jīng)成為LED光學(xué)設(shè)計(jì)的瓶頸問題。獲取并合理利用精確、詳實(shí)的LED光源信息尤其是光源空間光分布信息是LED光學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。分別利用單顆LED芯片和LED模塊做了兩組對照實(shí)驗(yàn)，并利用照明解析軟件對獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，通過對比實(shí)驗(yàn)中光源遠(yuǎn)場測試和近場測試獲得結(jié)果之間的差異，強(qiáng)調(diào)了通過LED光源近場測試獲取光源光線集對LED光學(xué)設(shè)計(jì)的重要作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，LED光源近場測量獲取的光源光線集可以為LED光學(xué)設(shè)計(jì)提供更為詳細(xì)的光源的光空間分布信息。

　　1、引言

　　20世紀(jì)90年代，白光LED的誕生促進(jìn)了大功率高亮度LED的發(fā)展。LED具有能耗低、壽命長、響應(yīng)時(shí)間快、高顯色性和環(huán)保無污染等優(yōu)點(diǎn)，為下一代照明光源的主要成員之一，已廣泛應(yīng)用于人們生活、生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。

　　目前，在LED光學(xué)設(shè)計(jì)中，多將LED看做各向同性的點(diǎn)光源來看待，但是由于采用該方法獲取的光源信息比較粗糙，容易導(dǎo)致LED產(chǎn)品的色度和亮度不均勻、光源整體效率低等問題。在LED器件或燈具設(shè)計(jì)過程中，一般采用兩種模型對光源進(jìn)行模擬，即“光源遠(yuǎn)場模型”和“光源近場模型”。光源遠(yuǎn)場模型即是將光源看作是一個(gè)各向同性的點(diǎn)光源;而近場模型則將光源看作是一個(gè)復(fù)雜的面光源來研究其實(shí)際發(fā)光情況。特別的，通過對LED光源進(jìn)行近場測試，可以獲得包含光線數(shù)量、光線的角度范圍、總光通量和光線起點(diǎn)等詳細(xì)光源

　　信息的光線集文件。本文分別做了兩組對照實(shí)驗(yàn)，找出了造成LED光源近場和遠(yuǎn)場差異的主要因素，分析說明了近場測試獲得的LED光源光線集的應(yīng)用可有效提高LED光學(xué)設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。

　　2、光源模型

　　2.1光源遠(yuǎn)場測試

　　光源遠(yuǎn)場測試主要是將光源看作是一個(gè)理想的點(diǎn)光源，主要對光源的發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行檢測。點(diǎn)光源的發(fā)光強(qiáng)度檢測一般遵循點(diǎn)光源距離平方反比定律，即將光源看作各向同性的發(fā)光強(qiáng)度為犐的點(diǎn)光源向面積為dS的探測器敏感表面發(fā)出光輻射，輻射點(diǎn)與探測器受面之間的距離為r，則其表面照度E=I/r²。該定律稱作“平方反比法則”。實(shí)際上，在工程中測量的物理量是探測器表面的照度，那么就可以利用“平方反比法則”計(jì)算出光照強(qiáng)度。在本文中，所有相關(guān)的遠(yuǎn)場實(shí)驗(yàn)均是利用該法則計(jì)算完成的。

　　2.2　光源近場測試

　　在對單顆LED 的近場測試中，主要根據(jù)國際照明委員會(huì)(CIE)制定的CIE127：2007《LED 的測量》文件中規(guī)定的光源近場測試方法。在該文件中，對近場的測量可以采用兩種不同的測試條件，即條件A 和條件B(如圖1所示)。在測試過程中兩種條件均用到環(huán)形入口孔探測器，孔面積為100mm2(即直徑為11.3 mm)。其中對于CIE 標(biāo)準(zhǔn)條件A，LED與探測器之間的距離為316 mm，對應(yīng)的測量立體角為0.001sr;對于CIE 標(biāo)準(zhǔn)條件B，LED 與探測器之間的距離為100 mm，對應(yīng)的測量立體角為0.01sr。值得注意的是，上述A、B條件并不嚴(yán)格按照發(fā)光強(qiáng)度的定義進(jìn)行測量。在本文中，所有近場實(shí)驗(yàn)均是在標(biāo)準(zhǔn)條件B下進(jìn)行的。

圖1 CIE127：2007規(guī)定的平均發(fā)光強(qiáng)度測量條件

　　3、實(shí)驗(yàn)對比驗(yàn)證

　　3.1　單顆犔犈犇遠(yuǎn)、近場光線集模擬對比

　　通過利用美國Radiant公司的一款針對LED小光源的測試系統(tǒng)SIG-400獲得單顆LED 近場模型數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)場模型數(shù)據(jù)，這些測量數(shù)據(jù)匯總成一個(gè)RSM格式的Radiant光源模型，然后將RSM 文件導(dǎo)入ProSource軟件中并生成包含任意光線數(shù)量的光線集文件。最后，將獲得的光線集文件導(dǎo)入LightTools光學(xué)模擬分析軟件，可得到如圖2 和圖3所示的單顆LED 芯片遠(yuǎn)場模型、近場模型的光線集模擬圖。

圖2 單顆LED遠(yuǎn)場光線集模擬圖

　　對比圖2和圖3可知，光源的遠(yuǎn)場與近場分布差別很大。由圖2可知遠(yuǎn)場光線由LED光源的幾何學(xué)中心點(diǎn)發(fā)射，各向同性，發(fā)散均勻，且不受透鏡與空氣折射率不同的影響。由圖3可知近場光線從LED光源的整個(gè)芯片的表面發(fā)射，且光線密度在發(fā)射面的過光源幾何中心點(diǎn)的法線方向上最大，由法線方向向兩側(cè)遞減;當(dāng)光線出射方向與發(fā)光表面夾角達(dá)到0°或180°時(shí)，光線密度幾乎為零。值得注意的是，如圖3所示，由于光線在透鏡與空氣相交的界面發(fā)生折射或反射，所以有部分光線在射出透鏡時(shí)射向LED芯片背面。對比圖2和圖3可知，單顆LED 光源近場測試獲得光線集的模擬結(jié)果較遠(yuǎn)場測試模擬結(jié)果更加接近光源發(fā)光的實(shí)際情況。

圖3 單顆LED近場光線集模擬圖

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　　3.2　單顆LED遠(yuǎn)、近場發(fā)光強(qiáng)度模擬對比

　　圖4為本實(shí)驗(yàn)所用的單顆LED芯片放大后的實(shí)物圖，其中1、2引腳為芯片正極，3、4引腳為芯片負(fù)極，且金線分布均勻?qū)ΨQ。電流由1、2 引腳注入芯片，經(jīng)過芯片上與正極相連的金線擴(kuò)散到整個(gè)芯片。在金線上有許多樹枝狀分支，這有效地增大了電流的均勻分布程度，進(jìn)而增大了電子與空穴復(fù)合發(fā)光的均勻性。圖5為單顆LED 點(diǎn)亮后法線方向的亮度影像圖。由圖5可知，LED 芯片發(fā)光分布并不均勻，在距電源正、負(fù)極較近的金線附近的電流擴(kuò)散密度較大，亮度高;且電極與金線不透明，遮擋了部分由pn結(jié)射出的光線，所以在電極和金線遮擋的部分亮度低，有明顯的線路痕跡。因此，LED芯片發(fā)光分布與芯片電極位置，及金線分布情況有關(guān)。在本文中，以此圖作為該實(shí)驗(yàn)的參考對比標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 測試LED實(shí)物圖

　　對于單顆LED 芯片，近場測試時(shí)，采取中速測試，垂直角度范圍為90°～180°，步徑為15°，水平角度范圍為0°～360°，步徑為1°，攝取不同角度的與圖5所示類似的亮度影像，并將這些光源的原始圖像合成一個(gè)光源的近場模型。將測得的遠(yuǎn)、近場數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入LightTools光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，解析得到如圖6和圖7所示的單顆LED 遠(yuǎn)場、近場發(fā)光強(qiáng)度分布圖。

圖5 單顆LED亮度影像(法線方向)

圖6 單顆LED遠(yuǎn)場發(fā)光強(qiáng)度分布圖

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圖7 單顆LED近場發(fā)光強(qiáng)度分布圖

　　由圖6可知，單顆LED遠(yuǎn)場發(fā)光強(qiáng)度分布是一個(gè)點(diǎn)光源式的發(fā)光強(qiáng)度分布，其整體分布在以(0，0)點(diǎn)為中心，半徑為0.3mm 的圓內(nèi)，但顯現(xiàn)不出光源的空間分布。由圖7可知，LED光源不再是一個(gè)發(fā)光點(diǎn)，而是一個(gè)發(fā)光面，并且隨著發(fā)光點(diǎn)在光源表面上位置的不同發(fā)光強(qiáng)度發(fā)生變化。圖7中，區(qū)域1、2和3 發(fā)光強(qiáng)度大于芯片上其它區(qū)域，這主要是受芯片電極與金線分布影響，該區(qū)域分布電流密度較大;區(qū)域4的出現(xiàn)是因芯片負(fù)電極遮擋了本身就已經(jīng)很微弱的光線造成的，該現(xiàn)象是與董雅娟等的相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。對比被測試的單顆LED 的實(shí)物亮度影像圖，可知近場發(fā)光強(qiáng)度分布圖的大小和形狀與實(shí)際的物理發(fā)光區(qū)域基本相符。

　　3.3　LED模塊遠(yuǎn)、近場發(fā)光強(qiáng)度模擬對比

　　利用與測量單顆LED光源相同的測量方法對LED模塊遠(yuǎn)場和近場的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并做相關(guān)分析，并主要對LED模塊的發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行描述。被測實(shí)驗(yàn)用LED模塊上共有144個(gè)LED芯片，其實(shí)物如圖8所示。

圖8 LED模塊實(shí)物圖

　　圖9為LED模塊法線方向的亮度影像圖。由圖9可知，受LED陣列的排列方式影響，LED模塊中間部分的LED 亮度較高，邊緣部分的LED亮度較低。在本文中，以此圖作為該實(shí)驗(yàn)的對比參考標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 LED模塊亮度影像圖(法線方向)

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　　對LED模塊進(jìn)行測量，垂直角度范圍為90°～180°，步徑為15°，水平角度范圍為0°～360°，步徑為1°，共攝取幾百張LED不同角度的亮度影像，并將這些光源的原始圖像合成為光源近場模型。利用測得的數(shù)據(jù)及相關(guān)軟件可以等到如圖10和圖11所示的LED模塊的遠(yuǎn)場、近場發(fā)光強(qiáng)度分布圖。

圖10 LED模塊的遠(yuǎn)場發(fā)光強(qiáng)度分布圖

圖11 LED模塊的近場發(fā)光強(qiáng)度分布圖

　　由圖10 可知，LED模塊的遠(yuǎn)場測試認(rèn)為光源發(fā)出的光全部來自于LED 模塊的幾何光學(xué)中心，光源的空間分布為點(diǎn)狀。由圖11 可知，LED模塊的近場光強(qiáng)分布圖具有較高的分辨率，可以清晰地分辨出光源模塊的幾何形狀和單顆LED在模塊中幾何分布的情況。LED模塊是一個(gè)比單顆LED 更為復(fù)雜的面光源，主要由以下三點(diǎn)決定：

　　1)模塊中有多顆芯片，相當(dāng)于存在多個(gè)光源，在工作時(shí)會(huì)發(fā)生光交互的現(xiàn)象;

　　2)LED芯片間由并聯(lián)和串聯(lián)的電路連接而成;

　　3)LED芯片本身存在制造的差異性。

　　特別是受多芯片間光交互的影響，LED模塊圓形區(qū)域1中的LED發(fā)光強(qiáng)度大于其它區(qū)域的LED，并且越靠近邊緣部分(環(huán)形區(qū)域3)的LED 其發(fā)光強(qiáng)度越小。所以，從整體上講，LED模塊發(fā)光強(qiáng)度分布不僅與單顆LED發(fā)光有關(guān)，還與模塊中LED陣列的排列方式，單顆LED間距以及模塊電極引入位置等多種因素有關(guān)。另外，受LED陣列的排列方式，LED分布的疏密程度，芯片間熱交換及其電路的連接方式和電極引入位置不同以及模塊與周圍空氣間熱交換不均衡的影響，模塊中心部分LED散熱困難，熱量積聚;邊緣部分LED 較易散熱。散熱的不均勻性也間接影響著模塊中各芯片的出光情況。這與張樓英等做的研究結(jié)果相吻合。同時(shí)，將圖10，圖11分別與圖9對比可知，利用LED光源的近場光線集文件獲得的光源發(fā)光強(qiáng)度分布更為精確，更有利于提高LED產(chǎn)品光學(xué)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。同時(shí)由于利用ProSource軟件可以實(shí)現(xiàn)光線集的可剪裁性，這將有效的提高LED光學(xué)設(shè)計(jì)的靈活性和效率。

　　4、結(jié)論

　　LED光源近場測量獲取的光源光線集可以為LED光學(xué)設(shè)計(jì)提供更為詳細(xì)的光源的光空間分布信息;無論是單顆LED芯片還是LED模塊，都是發(fā)光不規(guī)則的復(fù)雜的面光源，其不均勻性可通過光源近場測量得到的光線集表征;通過利用近場光線集可以有效的提高LED光學(xué)設(shè)計(jì)的質(zhì)量、效率和靈活性;單顆LED是發(fā)光不規(guī)則的面光源，其不規(guī)則性來源于芯片制作工藝中電極、金線等的影響;LED模塊是較單顆LED 復(fù)雜度、不規(guī)則性更高的面光源，其發(fā)光分布不僅受單顆LED芯片性能影響，還與模塊內(nèi)部芯片的排列組合方式、疏密程度、芯片間的電器連接方式和光交互的影響以及散熱情況有關(guān)。