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光源近场测量在LED光学设计中的应用与研究
时间:2014-03-04 09:49:48    来源:上海理工大学光电信息与计算机工程学院    浏览次数:    财经首页    我来说两句()

  在LED光学设计中,传统方法多以LED光源的远场测试数据为设计依据,而远场测试仅仅是对LED光源相对粗糙的测量,并不能精确地描述光源的空间光分布情况。对LED光源详细空间光分布信息的获取,即LED光线集的获取已经成为LED光学设计的瓶颈问题。获取并合理利用精确、详实的LED光源信息尤其是光源空间光分布信息是LED光学设计的关键点。分别利用单颗LED芯片和LED模块做了两组对照实验,并利用照明解析软件对获得的实验数据进行处理和分析,通过对比实验中光源远场测试和近场测试获得结果之间的差异,强调了通过LED光源近场测试获取光源光线集对LED光学设计的重要作用。实验结果表明,LED光源近场测量获取的光源光线集可以为LED光学设计提供更为详细的光源的光空间分布信息。

  1、引言

  20世纪90年代,白光LED的诞生促进了大功率高亮度LED的发展。LED具有能耗低、寿命长、响应时间快、高显色性和环保无污染等优点,为下一代照明光源的主要成员之一,已广泛应用于人们生活、生产的各个领域。

  目前,在LED光学设计中,多将LED看做各向同性的点光源来看待,但是由于采用该方法获取的光源信息比较粗糙,容易导致LED产品的色度和亮度不均匀、光源整体效率低等问题。在LED器件或灯具设计过程中,一般采用两种模型对光源进行模拟,即“光源远场模型”和“光源近场模型”。光源远场模型即是将光源看作是一个各向同性的点光源;而近场模型则将光源看作是一个复杂的面光源来研究其实际发光情况。特别的,通过对LED光源进行近场测试,可以获得包含光线数量、光线的角度范围、总光通量和光线起点等详细光源

  信息的光线集文件。本文分别做了两组对照实验,找出了造成LED光源近场和远场差异的主要因素,分析说明了近场测试获得的LED光源光线集的应用可有效提高LED光学设计的质量和效率。

  2、光源模型

  2.1光源远场测试

  光源远场测试主要是将光源看作是一个理想的点光源,主要对光源的发光强度进行检测。点光源的发光强度检测一般遵循点光源距离平方反比定律,即将光源看作各向同性的发光强度为犐的点光源向面积为dS的探测器敏感表面发出光辐射,辐射点与探测器受面之间的距离为r,则其表面照度E=I/r2。该定律称作“平方反比法则”。实际上,在工程中测量的物理量是探测器表面的照度,那么就可以利用“平方反比法则”计算出光照强度。在本文中,所有相关的远场实验均是利用该法则计算完成的。

  2.2 光源近场测试

  在对单颗LED 的近场测试中,主要根据国际照明委员会(CIE)制定的CIE127:2007《LED 的测量》文件中规定的光源近场测试方法。在该文件中,对近场的测量可以采用两种不同的测试条件,即条件A 和条件B(如图1所示)。在测试过程中两种条件均用到环形入口孔探测器,孔面积为100mm2(即直径为11.3 mm)。其中对于CIE 标准条件A,LED与探测器之间的距离为316 mm,对应的测量立体角为0.001sr;对于CIE 标准条件B,LED 与探测器之间的距离为100 mm,对应的测量立体角为0.01sr。值得注意的是,上述A、B条件并不严格按照发光强度的定义进行测量。在本文中,所有近场实验均是在标准条件B下进行的。


 

图1 CIE127:2007规定的平均发光强度测量条件

  3、实验对比验证

  3.1 单颗犔犈犇远、近场光线集模拟对比

  通过利用美国Radiant公司的一款针对LED小光源的测试系统SIG-400获得单颗LED 近场模型数据和远场模型数据,这些测量数据汇总成一个RSM格式的Radiant光源模型,然后将RSM 文件导入ProSource软件中并生成包含任意光线数量的光线集文件。最后,将获得的光线集文件导入LightTools光学模拟分析软件,可得到如图2 和图3所示的单颗LED 芯片远场模型、近场模型的光线集模拟图。


 

图2 单颗LED远场光线集模拟图

  对比图2和图3可知,光源的远场与近场分布差别很大。由图2可知远场光线由LED光源的几何学中心点发射,各向同性,发散均匀,且不受透镜与空气折射率不同的影响。由图3可知近场光线从LED光源的整个芯片的表面发射,且光线密度在发射面的过光源几何中心点的法线方向上最大,由法线方向向两侧递减;当光线出射方向与发光表面夹角达到0°或180°时,光线密度几乎为零。值得注意的是,如图3所示,由于光线在透镜与空气相交的界面发生折射或反射,所以有部分光线在射出透镜时射向LED芯片背面。对比图2和图3可知,单颗LED 光源近场测试获得光线集的模拟结果较远场测试模拟结果更加接近光源发光的实际情况。


 

图3 单颗LED近场光线集模拟图

 3.2 单颗LED远、近场发光强度模拟对比

  图4为本实验所用的单颗LED芯片放大后的实物图,其中1、2引脚为芯片正极,3、4引脚为芯片负极,且金线分布均匀对称。电流由1、2 引脚注入芯片,经过芯片上与正极相连的金线扩散到整个芯片。在金线上有许多树枝状分支,这有效地增大了电流的均匀分布程度,进而增大了电子与空穴复合发光的均匀性。图5为单颗LED 点亮后法线方向的亮度影像图。由图5可知,LED 芯片发光分布并不均匀,在距电源正、负极较近的金线附近的电流扩散密度较大,亮度高;且电极与金线不透明,遮挡了部分由pn结射出的光线,所以在电极和金线遮挡的部分亮度低,有明显的线路痕迹。因此,LED芯片发光分布与芯片电极位置,及金线分布情况有关。在本文中,以此图作为该实验的参考对比标准。


 

图4 测试LED实物图

  对于单颗LED 芯片,近场测试时,采取中速测试,垂直角度范围为90°~180°,步径为15°,水平角度范围为0°~360°,步径为1°,摄取不同角度的与图5所示类似的亮度影像,并将这些光源的原始图像合成一个光源的近场模型。将测得的远、近场数据分别导入LightTools光学设计软件,解析得到如图6和图7所示的单颗LED 远场、近场发光强度分布图。


 

图5 单颗LED亮度影像(法线方向)


 

图6 单颗LED远场发光强度分布图


 

图7 单颗LED近场发光强度分布图

  由图6可知,单颗LED远场发光强度分布是一个点光源式的发光强度分布,其整体分布在以(0,0)点为中心,半径为0.3mm 的圆内,但显现不出光源的空间分布。由图7可知,LED光源不再是一个发光点,而是一个发光面,并且随着发光点在光源表面上位置的不同发光强度发生变化。图7中,区域1、2和3 发光强度大于芯片上其它区域,这主要是受芯片电极与金线分布影响,该区域分布电流密度较大;区域4的出现是因芯片负电极遮挡了本身就已经很微弱的光线造成的,该现象是与董雅娟等的相关实验结果相符。对比被测试的单颗LED 的实物亮度影像图,可知近场发光强度分布图的大小和形状与实际的物理发光区域基本相符。

  3.3 LED模块远、近场发光强度模拟对比

  利用与测量单颗LED光源相同的测量方法对LED模块远场和近场的数据进行采集,并做相关分析,并主要对LED模块的发光强度进行描述。被测实验用LED模块上共有144个LED芯片,其实物如图8所示。


 

图8 LED模块实物图

  图9为LED模块法线方向的亮度影像图。由图9可知,受LED阵列的排列方式影响,LED模块中间部分的LED 亮度较高,边缘部分的LED亮度较低。在本文中,以此图作为该实验的对比参考标准。


 

图9 LED模块亮度影像图(法线方向)

  对LED模块进行测量,垂直角度范围为90°~180°,步径为15°,水平角度范围为0°~360°,步径为1°,共摄取几百张LED不同角度的亮度影像,并将这些光源的原始图像合成为光源近场模型。利用测得的数据及相关软件可以等到如图10和图11所示的LED模块的远场、近场发光强度分布图。


 

图10 LED模块的远场发光强度分布图


 

图11 LED模块的近场发光强度分布图

  由图10 可知,LED模块的远场测试认为光源发出的光全部来自于LED 模块的几何光学中心,光源的空间分布为点状。由图11 可知,LED模块的近场光强分布图具有较高的分辨率,可以清晰地分辨出光源模块的几何形状和单颗LED在模块中几何分布的情况。LED模块是一个比单颗LED 更为复杂的面光源,主要由以下三点决定:

  1)模块中有多颗芯片,相当于存在多个光源,在工作时会发生光交互的现象;

  2)LED芯片间由并联和串联的电路连接而成;

  3)LED芯片本身存在制造的差异性。

  特别是受多芯片间光交互的影响,LED模块圆形区域1中的LED发光强度大于其它区域的LED,并且越靠近边缘部分(环形区域3)的LED 其发光强度越小。所以,从整体上讲,LED模块发光强度分布不仅与单颗LED发光有关,还与模块中LED阵列的排列方式,单颗LED间距以及模块电极引入位置等多种因素有关。另外,受LED阵列的排列方式,LED分布的疏密程度,芯片间热交换及其电路的连接方式和电极引入位置不同以及模块与周围空气间热交换不均衡的影响,模块中心部分LED散热困难,热量积聚;边缘部分LED 较易散热。散热的不均匀性也间接影响着模块中各芯片的出光情况。这与张楼英等做的研究结果相吻合。同时,将图10,图11分别与图9对比可知,利用LED光源的近场光线集文件获得的光源发光强度分布更为精确,更有利于提高LED产品光学设计的质量。同时由于利用ProSource软件可以实现光线集的可剪裁性,这将有效的提高LED光学设计的灵活性和效率。

  4、结论

  LED光源近场测量获取的光源光线集可以为LED光学设计提供更为详细的光源的光空间分布信息;无论是单颗LED芯片还是LED模块,都是发光不规则的复杂的面光源,其不均匀性可通过光源近场测量得到的光线集表征;通过利用近场光线集可以有效的提高LED光学设计的质量、效率和灵活性;单颗LED是发光不规则的面光源,其不规则性来源于芯片制作工艺中电极、金线等的影响;LED模块是较单颗LED 复杂度、不规则性更高的面光源,其发光分布不仅受单颗LED芯片性能影响,还与模块内部芯片的排列组合方式、疏密程度、芯片间的电器连接方式和光交互的影响以及散热情况有关。

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