LED和LED灯具全空间分布光度测量技术

摘要：LED这一新兴光源在光学特性、灯具设计和照明应用等方面与传统光源有很大的差别，远距离下测得的空间光强分布不足以完全表征LED或LED灯具的空间光度特性，这给LED和LED灯具开发和应用带来了挑战。随着近年来测光技术的长足发展，光源和灯具的全空间分布光度测量成为可能，它能为LED和LED灯具提供空间各方向的亮度分布、光强分布和全空间任意截面的照度分布等详尽的空间光度量。
　1. LED和LED灯具的特点

　　随着半导体照明的进一步快速和深入发展，LED在道路照明、室内照明、汽车灯、手提灯具等多个领域等到了越来越广泛的应用，而同时，业界对LED灯具的二次光学设计以及利用LED灯具的空间光度数据进行照明设计的要求也越来越高。

　　就单颗封装LED而言，由于透镜作用不能将其简单地视作点光源[1]，LED灯具通常由多颗LED组成，LED灯具一般具有复杂的几何外形和出光面;在距离灯具较远处和较近处的光分布会存在明显的差别，并且某些部位还会由于亮度高而产生严重的眩光。上述很多LED和LED灯具的空间光分布特点是传统的光强分布所不能表征的。

　　2. 全空间分布光度学概述

　　为了完全表征上述LED和LED灯具的空间光分布特性，需要使用全空间光度学为真实的光源建立模型。在全空间分布光度学中，用户能够了解光源或灯具的光从哪里出来，射向哪个方向，各光线的通量是多少，在空间任意距离下任一截面内的照度分布，以及从不同方向观察光源或灯具的亮度分布，如图1所示。

典型大功率LED

该大功率LED的光线分布

用该LED设计成小LED灯具

图1：全空间分布光度参量示意图

　3. 全空间分布光度的测量方法

　　全空间分布光度的测量包括近场测量、远距离测量以及软件的校准和推导计算。远距离测量与传统方法相似，在距光源或灯具较远处测量其照度和光强值。近场分布光度计是全空间分布光度测量的关键，近场分布光度计由分布光度计和具有2维CCD阵列的成像亮度计组成，成像亮度计能够通过一次取样测得光源或灯具在某一方向的发光平面内各点的亮度值。

　　3.1 亮度分布

　　如图2所示，在旋转轴驱动下，近场分布光度计中的成像亮度计绕被测光源转动，在包围被测光源的球面上测量被测光源在各方向的亮度分布。通过亮度分布可以直观地得到LED和LED灯具在给定角度下的亮度分布，并进而可以得到该角度下的发光面面积、最大亮度和平均亮度等信息。该方法能够方便准确地测量出LED路灯闪亮面积。

成像亮度计在包围球面上测量亮度分布

LED路灯的76°方向亮度(闪亮面积)

图2：近场分布光度计的亮度分布测量

　　3.2 光线分布

　　根据亮度分布推导出光线分布，通过软件生成数百万条光线，每根光线都包括起点位置、方向向量和通量[2]。

亮度分布测量示意图

将像元变换到C坐标系

D坐标系和S坐标系

图3：近场光度计光线分布计算的坐标系

由亮度分布推导光线分布需要进行大量复杂的运算，一般包括以下主要步骤：

　　1)将(i,j)像元变换为以包围球面上的点为原点的C坐标系;

　　2)将C坐标下的亮度用立体角面元和包围球面面元加权，求得在各包围球面面元在立体角元的通量

　　3)将坐标变换到以转台旋转中心为原点的D坐标系;

　　4)将坐标变换到以被测光源为中心的S坐标系。

　　3.3光强分布

　　光强是将被测光源视作点光源，考察其在空间给定方向的立体角元内的光通量。为将LED和LED灯具视作点光源，理想的测量或计算的光强距离应为无穷远。全空间分布光度计可与传统光强测量方法相同，利用长距离的光度探头测量照度，并通过距离平方反比定律近似计算出远场光强：，d为测量距离。但对一些出光面大、光束窄、出光较为复杂的LED灯具，光强值会因为d不够大而存在较大误差，如图4所示，当测量距离d不够时，探测器接收到的光线的方向会与光强的方向不一致。

测量距离不够大时的光线接收方向

测量距离足够大时的光线接收方向

图4：光强测量中探测器接收的光线示意图

　在全空间分布光度计中，还可以使用光线追踪的方法计算出远场强分布：利用已知的光线分布，将光线追踪到无穷远处，此时被测LED或LED灯具可被视作点光源，仅需考虑所有方向位于立体角元内的光线，如图4所示，计算表达式为：

　　(2)

　　其中，为光强方向，为该方向的立体角元。

　　3.4 空间照度分布

　　照度是指单位面积上的光通量，即。在传统的光度学中一般是根据由分布光度计所测得的灯具的空间光强分布即配光曲线，通过照度平方反比定律，来计算各个距离下的照度分布、平面等照度曲线、空间等照度曲线等空间照度分布特性的。如图5所示，对于点光源，这种方法是合适的;但是对于LED和LED灯具，至少由于以下两点会存在较大误差：

　　首先，发光面较大、出光面复杂的LED或LED灯具射入某一面元的光线方向与LED或LED灯具中心点到该面元的方向即光强计算方向存在很大差异，因此实际射入该面元的各光线光通量之和与通过光强计算出的光通量相应存在很大差异;

　　其次，如图5所示，受单颗LED光束角的限制，左侧LED的光线是不能到达面元dA和dA’的，而远场光强分布仅表征整体配光效果，却不能反映出这些细节。

点光源照射到不同距离下的面元的光线

典型LED灯具照射到在不同距离下的面元的光线

图5：照度到任一面元内的光线

　　在全空间分布光度学中，通过光线追踪的方法求得落在空间任一面元的光线光通量，即任一截面的照度，而无论该截面在何位置，是否为曲面。

　　通过光线追踪法，设计师能够了解LED和LED灯具的空间光分布细节，全面掌握LED和LED灯具的光度特性，从而能更为科学合理地进行LED灯具设计和照明设计。全空间分布光度学给灯具开发和照明设计带来的影响是具有革命性的。

　　3.5 总光通量的精确测量

　　全空间分布光度计若在近场配置了余弦性能优良的精密光度探头，则利用该光度探头使用基准级方法，即照度积分法测量的总光通量[3]：测量包围LED或LED灯具的球面各面元照度，对面积积分求得总光通量，表达式为，E为面元dA处的照度。LED和LED灯具总光通量以及部分光通量也可以利用光线分布计算出来。

　　3.6 全空间分布光度的校准

　　全空间分布光度测量包括近场测量和远距离测量。对光源的近场亮度分布测量能够推导出光线分布、远场光强分布以及任意距离下的照度分布等光源空间光分布的细节，但现有成像亮度计在V(λ)光谱匹配和线性等方面的性能不如高精度光度探头，其测量值的绝对值精度可以通过近场光度计校准而达到很高水平。同时，在全空间分布光度测量中，用远距离测得的被测光源的照度值/光强值来校准用光线追踪方法推导出的相应量值。近场测量和远距离测量相结合能够得到精确、详尽的LED和LED灯具的空间光分布特性量值。

　　4. 全空间分布光度测量专业设备简介

　　如上所述，全空间分布光度计中的近场分布光度计是实现关键。该设备得到了国际社会测光界的重视，国际照明委员会(CIE)专门成立了技术委员会TC2-62来研究和标准化近场分布光度计，我国杭州远方公司也参加了该技术委员会的工作。在专业设备方面，除了图2所示的德国产近场分布光度计外，我国在863项目的扶持下，也由远方公司成功开发了具有核心自主知识产权的全空间分布光度计，如图6所示，该全空间分布光度计具备了近场测量(第一探测器D1)和远距离测量(第三探测器D3)功能，并在近场同时配备了高精度光度探头和CCD成像亮度计。目前该全空间分布光度计已经被国内外部分大型LED灯具制造商率先使用，获得了用户的一致好评。

总体结构和远场测量示意图

近场高精度光度探头测量示意图

场成像亮度计实现示意图

实物照片

图3：我国自行研发设计并拥有核心知识产权的全空间分布光度计

　　5. 小结

　　随着半导体照明的深入发展，对全面客观表征LED和LED灯具的要求也越来越高，全空间分布光度测量技术的研发成功为解决这些问题提供解决办法。全空间光度学能够为真实的光源建立模型，用户能够直观且精确地得到光源或灯具的光线分布，全空间任一截面(平面或这曲面)内的照度分布，远场光强分布以及从不同方向观察光源或灯具的亮度分布等重要参量。这些量值都是传统的光度测量所不能够实现的，全空间光度测量技术必将发挥越来越重要的作用，对光源测量和光学设计带来革命性的影响。

　　在国家863项目的扶持下，我国率先成功开发了拥有核心自主知识产权的全空间分布光度计系统，并且凭借技术优势，该全空间分布光度计的开发单位杭州远方光电信息有限公司参与了CIE相关标准的研制工作。目前该全空间分布光度计已经为国内外多家LED灯具测量实验室和大型制造商使用，获得了一致好评。