ZEMAX照明设计：光源选择与应用

简介：照明系统中光源的剖析

光源有许多不同的形状、大小和形式，但用于照明设计的数据是：来自光源光线的位置x、 y、 z，光线的方向角l、 m、 n，光线的能量、波长或颜色。

在最简单的情况下，当光学元件远离光源时，它可以近似为一个点光源。方向分布的简化情况可以近似为各向同性分布或朗伯分布。

由于缺乏一个综合的光源模型，有时照明系统的模拟结果与实验结果不匹配。对于离光学元件较近的光源，将存在具有表面分布可能性的光收集立体角较大的情况。在这种情况下，一个包含物理尺度上反射和折射的完整光源模型可能更适合于得到与现实生活相符合的实现结果。只能说，当点光源或平行光束等光源足以代表照明系统时，这类简化模型对照明系统来说并不是一个错误的选择。如果与近似光源相比，更复杂的光源不会改变结果，那么更直接的光源能够更有效地模拟系统。

不同的光源

虽然光源的数目很多 ，下面我们将介绍我们在照明设计中使用的几个有代表性的光源。

• LEDs (发光二极管)，单片机驱动和磷模型
• LDs (激光二极管)
• 白炽光源，如灯泡和太阳
• 荧光光源，如荧光灯
• 金属蒸汽光源，如 金属卤化物灯
• 高压气体放电光源

这些光源的建模将包括光谱、辐射、亮度分布信息。

有四种方法可以创建复杂的光源模型。

1. 几何模型：光源的物理模型。二极管、环形反射镜、焊线、模具和外部包装均为几何建模结果。一方面，这种方法给出了一个许多假设符合光源几何形状的复杂光源。其优点是无需复杂的光学测量，且物理形状允许公差分析。另一方面，发射特性是假定的，材料的反射和折射特性是近似的，组件的建模可能比软件中需要考虑的更复杂。
2. 辐射模型：测量具有代表性示例的光源输出。测量是在测角仪上的探测器上进行的，测量光源的方位角和极角 。之后可将该模型导入并用于照明仿真中。一方面，测量是准确的，与它们在系统中应有的情况相符。另一方面，这些模型不考虑再次入射的光，它们的数据受限于收集的测量范围，并不是所有的光源都能被测量且可供访问，这可能导致只能一次性测量并且成本很高。
3. 系统模型：这是几何模型和辐射模型的结合，利用了两种系统的优点，消除了每个模型的缺点。该模型的缺点是，这两个系统的集成并不简单。
4. 物理辐射：光致发光是某些具有旋光性的分子吸收、向下转换和重新发射较长波长的光的趋势。在OpticStudio中，可以通过吸收、发射和量子光谱数据来模拟这种现象，这些数据以文本文件的形式提供。该光致发光模型可以选择性地与Mie体散射模型配对，以便对嵌入在散射主体中的光致发光材料进行建模。可以点击此处查看一篇关于光致发光的文章 。另外，有关磷光粉和荧光的讨论可以在设置选项卡(The Setup Tab)->编辑器组(Editors Group)(设置选项卡Setup Tab)->非序列组件编辑器(Non-sequential Component Editor)->体散射(Volume Physics)->磷光和荧光(Phosphors & Fluorescence)的帮助文件或PDF帮助文档：OpticStudio_UserManual_en.pdf中查看。

点光源

有些光源与光学系统相比很小，可以简化为点光源进行更直接的计算，甚至可以在序列模式中进行模拟。

例如一些小的LED、大多数单模激光二极管(LDs)和一些多模激光二极管均拥有很小的表面积，这些光源可以被看作一个点。

如果光源可以减少到一个点，那么许多计算就会更直接，并且在优化和光线追迹模拟方面涉及的计算机能力需求也会更少。这是在几个或一些迭代设计之后，检查系统光源的实际大小的一个很好的做法。只有当镜头的优化进展足够大时，光源的大小才有更显著的影响。当设计点光源时，我们不考虑光源的大小，所以我们在选择照明方案的近似值时必须谨慎。

已建模的光源：OpticStudio中默认的光源

OpticStudio中非序列光源的完整列表中包括点、椭圆、矩形、体、数据文件和用户自定义类型的光源。OpticStudio中的默认光源非常方便，而且大多数光源都可以建模。

• 衍射光源(Source Diffractive)：具有所定义UDA的远场衍射图样的光源。
• 二极管光源(Source Diode)：具有独立的X/Y分布的二极管阵列。
• DLL光源(Source DLL)：由用户提供的外部程序定义的光源。
• 椭圆光源(Source Ellipse)：可以从虚拟光源点发射光线的椭圆形表面。该光源可用于模拟在快、慢轴上具有不同光束发散的激光二极管。
• EULUMDAT文件光源(Source EULUMDAT File)：在EULUMDAT格式文件中的灯光数据定义的光源。用法示例请参见文章 "如何使用极探测器和IESNA/EULUMDAT光源数据"。
• 灯丝光源(Source Filament)：螺旋灯丝形状的光源。
• 文件光源(Source File)：已在文件中列出其光线的用户自定义光源。LED文件通常是大多数主要的LED制造商分发的。例如在 "如何用OpticStudio使用欧司朗 LED数据" 和 "如何从RSMX光源模型生成光线集"。
• 高斯光源(Source Gaussian)：具有高斯分布的光源。
• IESNA 文件光源(Source IESNA File)：由IESNA格式文件中的灯光数据定义的光源。用法示例见文章 "如何以 IES格式导出光线追迹结果 "。
• CAD导入光源(Source Imported)：由导入物体的形状定义的光源。
• 物体光源(Source Object)：由其它物体的形状定义的光源。用法示例见文章 "如何将任何物体转化为光源物体"。
• 点光源(Source Point)：辐射成圆锥形的点光源。圆锥可以是零宽度，或扩展到一个完整球面（如果需要）。
• 径向光源(Source Radial)：基于任意强度与角度数据的样条拟合的径向对称光源。该光源可用于模拟某些复杂径向分布LD变体(如VCSELs)。用法示例见

• 单光线光源(Source Ray)：与光线方向余弦信息相一致的点光源。
• 矩形光源(Source Rectangle)：可以从虚拟光源点发射光线的矩形表面。
• 管光源(Source Tube)：圆柱管形状的光源。
• 双角光源(Source Two Angle)：光线由矩形或椭圆形表面发射到在X和Y方向上具有不同角度的圆锥体区域。
• 圆柱体光源(Source Volume Cylinder)：形状为具有椭圆形截面的圆柱体形状的体光源。
• 椭球体光源(Source Volume Ellipse)：椭圆体形状的光源。
• 矩形体光源(Source Volume Rectangle)：形状为矩形的体光源。

(光源的完整列表可以在设置选项卡(The Setup Tab)->编辑器组(Editors Group)(Setup选项卡)->非序列组件编辑器(Non-sequential Component Editor)->非序列光源(Non-sequential Sources)的帮助文件或者在PDF帮助文件OpticStudio_UserManual_en.pdf中找到)。

已建模的光源：复杂的光源模型

相比于OpticStudio中的默认光源，对复杂光源也可以进行建模。

LED的另一种建模方法是对LED的各个组件进行几何建模。例如，可以使用LED结构进行LED建模，包括发光管芯、透镜外壳、引线接口、反射抛物面，甚至是电端子。

另一种LED光源可以包括磷光效应，把LED芯片上发出的蓝光变成黄光，产生混合白光。

使用这些几何模型将上面的列表中的一种光源模型用LED组件包围起来，我们可以优化反射抛物面的形状或透镜的形状，以及发光二极管到反射抛物面的位置。上述透镜的形状及元件的位置必须得到准确测量，从而通过优化元件的各项参数，使OpticStudio中模拟的光线与实测的发射结果相吻合，从而完成建模。

虽然这种几何建模是有用的，并很好地代表了LED，但有可能某些形状和尺寸的组件和透镜并不存在于产品目录中，导致无法准确输入的情况。此外，即使是您自己测量的这些元件也不一定能得到正确的结果，因为这些光源在生产过程中可能会发生很大的变化。上述问题最关键的情况发生在靠近发射源的组件上，即对典型LED的管芯和反射器的测量。

此外，利用体物理学，可以描述蓝光与黄光的交换量。

这是上面提到的几何建模的扩展内容，但是在建立LED中管芯的物理模型上进行了更进一步的讨论。通过对LED自身的主动发射进行建模，可以更接近地表征LED的发光过程。虽然这个方法很准确，由于颜色交换的统计性质、磷的散射性质、半导体元件(通常是n > 2.5)与磷和镜头外壳（通常是n≅1.5）相比折射率较高，光线追迹需要更长的时间执行。

导入LED数据文件

使用制造商提供的光源文件可以很好的表示一个LED真实光源。这个光源文件可以是一个具有强度分布的平面，也可以是一个光线的体分布。平面在一定程度上忽略了辐射的空间变化，而体分布则较好地反映了光线数据的空间分布。

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