LED和LED燈具全空間分布光度測量技術

杭州遠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特性、燈具設計和照明應用等方面與傳統光源有很大的差別，遠距離下測得的空間光強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燈具開發和應用帶來了挑戰。隨著近年來測光技術的長足發展，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。本文將重點介紹LED和LED燈具的全空間分布光度測量技術以及實現該技術的專業設備。

　　關鍵詞：LED，LED燈具，近場分布光度計，亮度，光強分布、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

　　隨著半導體照明的進一步快速和深入發展，LED在道路照明、室內照明、汽車燈、手提燈具等多個領域等到了越來越廣泛的應用，而同時，業界對LED燈具的二次光學設計以及利用LED燈具的空間光度數據進行照明設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光源[1]，LED燈具通常由多顆LED組成，LED燈具一般具有復雜的幾何外形和出光面;在距離燈具較遠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生嚴重的眩光。上述很多LED和LED燈具的空間光分布特點是傳統的光強分布所不能表征的。

　　2. 全空間分布光度學概述

　　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為真實的光源建立模型。在全空間分布光度學中，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、遠距離測量以及軟件的校準和推導計算。遠距離測量與傳統方法相似，在距光源或燈具較遠處測量其照度和光強值。近場分布光度計是全空間分布光度測量的關鍵，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光平面內各點的亮度值。

　　3.1 亮度分布

　　如圖2所示，在旋轉軸驅動下，近場分布光度計中的成像亮度計繞被測光源轉動，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，并進而可以得到該角度下的發光面面積、最大亮度和平均亮度等信息。該方法能夠方便準確地測量出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

　　根據亮度分布推導出光線分布，通過軟件生成數百萬條光線，每根光線都包括起點位置、方向向量和通量[2]。

亮度分布測量示意圖

將像元變換到C坐標系

D坐標系和S坐標系

圖3：近場光度計光線分布計算的坐標系

　　由亮度分布推導光線分布需要進行大量復雜的運算，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為原點的C坐標系;

　　2)將C坐標下的亮度用立體角面元和包圍球面面元加權，求得在各包圍球面面元在立體角元的通量

　　3)將坐標變換到以轉臺旋轉中心為原點的D坐標系;

　　4)將坐標變換到以被測光源為中心的S坐標系。

　　3.3光強分布

　　光強是將被測光源視作點光源，考察其在空間給定方向的立體角元內的光通量。為將LED和LED燈具視作點光源，理想的測量或計算的光強距離應為無窮遠。全空間分布光度計可與傳統光強測量方法相同，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場光強：，d為測量距離。但對一些出光面大、光束窄、出光較為復雜的LED燈具，光強值會因為d不夠大而存在較大誤差，如圖4所示，當測量距離d不夠時，探測器接收到的光線的方向會與光強的方向不一致。

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場強分布：利用已知的光線分布，將光線追蹤到無窮遠處，此時被測LED或LED燈具可被視作點光源，僅需考慮所有方向位于立體角元內的光線，如圖4所示，計算表達式為：

　　(2)

　　其中，為光強方向，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。在傳統的光度學中一般是根據由分布光度計所測得的燈具的空間光強分布即配光曲線，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，至少由于以下兩點會存在較大誤差：

　　首先，發光面較大、出光面復雜的LED或LED燈具射入某一面元的光線方向與LED或LED燈具中心點到該面元的方向即光強計算方向存在很大差異，因此實際射入該面元的各光線光通量之和與通過光強計算出的光通量相應存在很大差異;

　　其次，如圖5所示，受單顆LED光束角的限制，左側LED的光線是不能到達面元dA和dA的，而遠場光強分布僅表征整體配光效果，卻不能反映出這些細節。

點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：照度到任一面元內的光線

　　在全空間分布光度學中，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，設計師能夠了解LED和LED燈具的空間光分布細節，全面掌握LED和LED燈具的光度特性，從而能更為科學合理地進行LED燈具設計和照明設計。全空間分布光度學給燈具開發和照明設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良的精密光度探頭，則利用該光度探頭使用基準級方法，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

　　全空間分布光度測量包括近場測量和遠距離測量。對光源的近場亮度分布測量能夠推導出光線分布、遠場光強分布以及任意距離下的照度分布等光源空間光分布的細節，但現有成像亮度計在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而達到很高水平。同時，在全空間分布光度測量中，用遠距離測得的被測光源的照度值/光強值來校準用光線追蹤方法推導出的相應量值。近場測量和遠距離測量相結合能夠得到精確、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設備簡介

　　如上所述，全空間分布光度計中的近場分布光度計是實現關鍵。該設備得到了國際社會測光界的重視，國際照明委員會(CIE)專門成立了技術委員會TC2-62來研究和標準化近場分布光度計，我國杭州遠方公司也參加了該技術委員會的工作。在專業設備方面，除了圖2所示的德國產近場分布光度計外，我國在863項目的扶持下，也由遠方公司成功開發了具有核心自主知識產權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被國內外部分大型LED燈具制造商率先使用，獲得了用戶的一致好評。

總體結構和遠場測量示意圖

近場高精度光度探頭測量示意圖

場成像亮度計實現示意圖

實物照片

圖3：我國自行研發設計并擁有核心知識產權的全空間分布光度計

　　5. 小結

　　隨著半導體照明的深入發展，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的研發成功為解決這些問題提供解決辦法。全空間光度學能夠為真實的光源建立模型，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)內的照度分布，遠場光強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。這些量值都是傳統的光度測量所不能夠實現的，全空間光度測量技術必將發揮越來越重要的作用，對光源測量和光學設計帶來革命性的影響。

　　在國家863項目的扶持下，我國率先成功開發了擁有核心自主知識產權的全空間分布光度計系統，并且憑借技術優勢，該全空間分布光度計的開發單位杭州遠方光電信息有限公司參與了CIE相關標準的研制工作。目前該全空間分布光度計已經為國內外多家LED燈具測量實驗室和大型制造商使用，獲得了一致好評。

　　參考文獻：

　　[1] CIE127-1997 Measurement of LEDs

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

　　[3] CIE 84-1989 Measurement of flux