Ansys Zemax | 如何模拟 LED 及其它复杂光源

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概述

在使用非序列时，对照明系统进行精确模拟的第一步总是要正确建立光源模型。OpticStudio 提供了多种精确模拟光源的方法。这篇文章介绍了如何在非序列模式下使用径向光源 (Source Radial), 光源文件 (Source File) 以及通过建立其他复杂几何体，来对led及其它复杂光源进行建模。

介绍

准确的光源模型是精确模拟照明系统的关键。对于光线追迹的过程，OpticStudio 支持光线的分裂、散射、衍射、折射和反射等，但这篇文章将讨论如何从一开始发射一束光线，以正确表示光源的空间分布和角分布。

我们将讨论如何模拟多种不同的 Lumileds 公司生产的 LED，但是其他复杂的光源例如：汞灯、白炽灯的建模也都可以参考本例的设计过程。

对 LED 建模

OpticStudio 包含多种光源物体类型来近似模拟初始光源的属性。例如可使用灯丝光源 (Source Filament), 圆柱体光源 (Source Volume Cylinder) 来有效模拟荧光管。本文的设计过程则侧重于使模型更贴近实验及测量的空间分布（近场）和角分布（远场）数据。

由于所要模拟的LED是以光度学单位来测量的，因此在建模中我们需要先设置所使用的光度学单位。在系统选项 (System Explorer) -> 单位 (Unit) 中选择光源单位为流明 (Lumens)：

可以看到，照明将以 Lux 为单位（流明每平米），流明强度的单位为 Candela（流明每立体角）。光亮度的单位为 Candela 每平方米。

使用径向光源

使用径向光源是最简单的输入制造商数据的方法之一。下面这个案例为 Luxeon 的红色 LED（LXHL-BD01）的流明分布，其分布数据如右表所示。我们可以从下图中清晰的看到“蝙蝠翅膀”形状的角分布特性：

在附件文件中的 radial_source.zmx 文件中包含两个物体：一个径向光源和一个探测器。径向光源是平面物体，其形状为矩形或椭圆形，并且根据供应商提供的角分布数据发射光线。

需要注意的是，径向光源允许将角分布数据设为变量，因此我们可以根据特定的应用环境，对光源的角分布进行优化。在这篇文章中我们需要光源模型尽可能贴近实验数据，因此不会应用到这一功能。然而在设计的初期，我们往往需要确定光源角分布的大致情况，此时通过优化来预估角分布是非常有效的。

从供应商数据中，我们已知光源的直径为6mm，标称输出为27流明。将这些数据添加到径向光源物体中，并设置陈列光线数量为30根。从下图中我们可以在布局图中看到光源的空间分布和角分布：

我们可以设置更多的分析光线以在探测器中得到更符合实际的结果。将分析光线设置为一百万根，此时我们可以更清晰的看到光源模型的空间分布和角分布数据：

可以看到所计算的流明强度分布和供应商提供的数据基本相符。但是供应商并没有提供 LED 的强度数据（以及 LED 的空间结构），因此 OpticStudio 假设光源在3mm的半径内是均匀分布的。在没有更多可用数据的情况下，这些就是我们所能做的所有设置了。如果想进一步提高模拟的精度，我们需要空间分布数据和角分布数据，这分别对应了光源强度和光源照度。

使用辐射光源模型

本节使用了 OpticStudio 中旗舰版的功能。

Radiant Imaging公司使用高线性度、低噪声的相机，通过一系列经过校准的16位灰度值对光源进行测量，并将这些数据保存在对应的数据库文件中。该公司的 ProSource 软件可以使用多种方式展示光源的空间分布和角分布数据。这相比之前讨论的径向光源模型更加完整。

OpticStudio 的旗舰版用户可以借助RSMX光源模型 (Radiant Sourve Models) 工具库对光源进行模拟。只要供应商已经将数据文件提供给 OpticStudio，那么用户可以在该工具库中下载对应的 RSMX 光源文件。在 OpticStudio 中，您可以基于这些数据生成光源光束。接下来我们将使用 Lumileds 公司型号为 LXML-PD01 的 LED 进行演示建模。

首先，我们可以从RSMX光源模型工具库中下载 RSMX 文件。该工具位于数据库 (Library) 选项卡 -> RSMX 光源模型 (Radiant Source Model) -> 下载 RSMX光源模型 (Download Radiant Source Model)。在下载界面中也包含一部分光源数据。下载完成的光源文件将保存在 Zemax 根目录\Object\Source\Radiant Source Model Files 文件夹中。

使用光源数据文件最大的优点在于可以使用文件中的所有测试数据，这包括光源中的反射、散射以及全反射光线。我们可以通过打开光源文件查看器来检查 RSMX 光源文件，该工具位于数据库选项卡 -> RSMX 光源模型 -> 查看 RSMX 光源模型 (View Radiant Source Model)。下图为未点亮的 LED 以及点亮的 LED 的示例图片。通常情况下，供应商还会提供几张 LED 的校准图，以让用户快速了解 LED 的几何结构。

为了显示得更加清晰，测量数据以伪彩图的形式进行显示。这会展示出光源结构中更多的细节信息。例如，芯片上连接的电极线会挡住部分光源发射的光线，并且在发光表面上存在十字交叉线的图案也存在遮挡部分光的问题。为了计算光源模型的流明强度（光亮度），供应商会对光源拍摄大量图片。

下一步是将光源模型转换为我们可以在 OpticStudio 的模拟中使用的形式。OpticStudio 内置了将 RSMX 文件转换为文件光源 (Source File) 的工具，您可以在RSMX光源模型的下拉菜单中找到：

上图中的设置表明：

我们将根据下载的 RSMX 文件生成一百万根光线
光线的光谱分布为窄带高斯分布，中心波长为0.6325μm，最小/最大值为0.62μm和0.645μm（分布的两个标准差距离）
光线将在2π立体角内发射
LED 封装表面是半径约为1.5mm的球面，我们选择在半径为1.5mm的球面上产生光线

需要注意的是，光源文件必须保存在 Zemax 根目录下的 Object 文件夹中。由于波长数据从此文件中载入，因此文件的扩展名必须为 .sdf 格式。

所生成的数据文件本质上是一系列光线，并且包含起始位置数据 XYZ，起始方向余弦 LMN 以及波长数据。为了使用该数据，物体类型需要从径向光源改变为文件光源，并且需要选择刚生成的光源文件 LUMI_LXHL_PD01_red.SDF。设置陈列光线条数 (Layout Rays) 为五百根，分析光线条数 (Analysis Rays) 为一百万根（所允许的最大值，这是由于文件光源中仅包含一百万根光线）。

需要注意的是，文件光源中的光线的书序并不是随机的，我们需要随机选取光线以使它们在布局图中正确显示。为了在布局图中看到随机顺序的光线，我们需要将系统选项 -> 非序列 -> 最大文件光源内存 (Maximum Source File Rays in Memory) 的参数设置为大于一百万的数值。