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| LED和其它复杂光源建模 本文由Opticsstar从zemax knowledge base翻译，转载需注明出处。 ZEMAX 公司感谢 Radiant Imaging, Opsira and Lumileds 提供本文中使用的实验数据. Luxeon 是Lumileds公司的商标。  准确的光源建模是准确的照明系统建模的关键。ZEMAX能对光线做分束，散射，衍射，折射，反射等操作，但是本文讨论最初如何发射一束光，使得他们能准确的代表光源的空间和角度照明分布。 本文中我们将讨论建模一个Luxeon LED，但是设计过程能被用于任意复杂光源：弧光灯，白炽灯等。 ZEMAX包含许多光源对象，可用于初始光源特性的初始近似。例如，source_filament是白炽灯第一个好的近似，source_volume_cylinder对建模荧光灯管很有用。本文中我们方法的关键是尽可能在空间(近场)和角度(远场)分布上接近实验测量的数据。 鉴于我们建模的LED使用了光度单位，我们将我们的模拟中也将使用光度单位。在System > General > Units设置如下： 结果是，照度（illuminance）的单位将为Lux （Lumens.m-2），发光强度（luminous intensity）为Candela （Lumens.steradian-1）而辐射度将为Candela.m-2. 使Source_Radial Source_radial 是从制造商的datasheet里面输入数据的最简单的方法。 例如这里是 Luxeon Emitter Red (LXHL-BD01)的发光强度，如产品datasheet所提供。角度分布的“蝙蝠翼(batwing)”特性如下：
附件的zip文件(可以在本文最后下载)中有一个文件,radial_source.zmx.该文件仅包含2个目标:一个探测器和source_radial. Source_radial是一个平的，矩形或者椭圆形对象，他可以所提供的数据描述的角度分布发光。 {注意source_radial让角度数据可成为变量，因此我们可以优化确定为特定应用所需的角度分布.本文中我们不会使用这一功能，因为我们的目标是尽可能描述实验数据。但当我们在设计的早期想知道我们需要什么样的分布时，这是一个极为有用的功能} 制造商的data sheet告诉我们，光源直径6mm，典型输出为27 lumens：这一数据也被添加到source_radial。通过30条layout 光线和10M analysis光线(记得layout 光线仅为画图之用;analysis 光线用于细节的计算),我们得到:
看更细节的数据我们可以看到光源的空间和角度性能：
计算的发光强度和制造商的datasheet符合的很好，但是制造商没有提供LED照度(LED的空间结构)的数据。因此ZEMAX假定光源在3mm半径的孔径内是均匀亮度的。在没有更好的数据前，我们只能这样了。为了提高模拟的质量，我们需要角度和空间数据：这就是所谓的光源辐射source radiance 或光源照度source luminance. 使用Radiant Imaging公司的ProSource Radiant Imaging (www.radiantimaging.com)通过使用高线形，低噪声相机拍摄一系列校准的16-bit照片来测量光源的辐射度(或者照度)，并将它们合并到一个数据库中。他们的ProSource软件可以多种方式查看这些数据，以及光源详尽的辐射情况(角度和空间分布).
这显示了光源结构导致的光学效果。例如，接触电极部分遮挡了反射光线，在发光面上叠加一个纵横交错的图案. 在不同的角度拍摄了大量的照片，被用于计算光源辐射度（或照度）模型。Radiant Imaging公司的ProSource 程序能让使用者看到光源的细节特征。例如，这里是发光强度在x方向通过LED中心的切片: 这显然比LED制造商提供的原始信息多得多。ProSource可以导出此数据作为source_file，而这个光线列表可以被ZEMAX追迹: 红框圈起来的设置表示：
注意光线文件必须保存在 {zemaxroot}/objects文件夹，且必须为扩展名.dat. 为使用该数据，我们可以将source_radial 换成 source_file然后打开Radiant_Source.dat。为了在输出点列图上看到随机光线，可以设置System > General > Non-Sequential下的"Randomize rays" 为1e+8.
注意这个文件需要大于500M的空闲内存。当我们追迹光线时，光源的空间和角度分布如下:
这个数据文件在空间和角度域有多得多的信息。空间结果清楚的显示出了“蝙蝠翼batwing”结构，这是单独的角度数据没法预测的。角度数据也给出了比制造商datasheet提供的简单曲线多得多的结构。注意这些附属的结构是怎样在ZEMAX ray-tracing结果中还原的:
并告诉ZEMAX逆向追迹这些光线: 在虚像处得到如下的空间分布: 与ProSource 数据库中的照片比较: ZEMAX 和 ProSource 使用略有不同的图像gamma, 但是可以看到这些图像是基本一致的。也注意到如果你缩小ZEMAX detector 窗口可以看到两个LED emitter的ghost images，这也在ProSource的数据中: 注意:这不是照片这是！这是ZEMAX内部光线追迹模拟的结果。使用测量的辐射数据提供了精确的光源模型. 使用Opsira公司的Luca Raymaker Opsira (www.opsira.de) 的Luca Raymaker 软件提供了类似的功能，该功能生成测向仪(goniometer)测出的光线集。光线生成操作如下: 生成的文件是一个二进制.dat文件,之后该文件被作为一个source_file对象读入ZEMAX 并以之前描述的Radiant Sources同样的方式追迹。 Building a Complex Geometric Model最后我们将讨论的技术是建立一个复杂的几何光源模型。这是一个光源的一个"迷离模型mini-model"，并使用ZEMAX提供的几何光源以及一系列其它对象，试图刻画光源的内部结构。例如，见文件夹{zemaxroot}/ samples/non-sequential/sources/led_model.zmx:这个对象由一系列更小的内部对象构造: 这可以代表LED die,电极丝,安装点等。然后将更细节的光学特性应用到各个对象，然后大量的光线追迹。 这些光源模型能被直接追迹，或者生成的光线能被保存到光线数据库。在光线数据库观察器中(Analysis > Database > Ray Database Viewer) 你可以选择测试对象，并将所有打到该对象的所有光线保存为心得光源对象。这个新的数据文件可以用source_file对象读入。 复杂的集合模型需要忍受的一个大问题是：你需要知道输入什么值！例如，在电极丝上使用何种散射函数？支撑结构的反射率是多少？此类数据不易获得。最后，复杂模型必须为实验数据验证有效：这带来一个问题，为什么不开始就使用实验数据？ 大体上讲，实验数据更准确更容易使用。但是在一些系统中，特别是来自光源的光再成像在光源上，需要努力构造一个好的复杂的光源。也可以2者都用，通过定一个复杂光源，但是通过一个测量的光源文件初始发光。 此图版权归Radiant Imaging所有，这里被允许使用。 总结和参考 本文描述了一些LEDs及其它复杂光源建模的技术： 最早的方法，在没有实验数据情况下最好的,是使用source_radial或其它built-in光源 实验数据，例如Radiant Imaging 和Opsira和所提供的，提供了最好的精度并且易于使用 当光线会再次成像在光源对象上时，复杂光源模型非常有用 |
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