概述

在使用非序列時，對照明系統(tǒng)進行精確模擬的第一步總是要正確建立光源模型。OpticStudio 提供了多種精確模擬光源的方法。這篇文章介紹了如何在非序列模式下使用徑向光源 (Source Radial), 光源文件 (Source File) 以及通過建立其他復雜幾何體，來對led及其它復雜光源進行建模。

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介紹

Ansys Zemax 感謝 Radiant Imaging ，Opsira 和 Lumileds 公司為本文提供的實驗數(shù)據(jù)。

準確的光源模型是精確模擬照明系統(tǒng)的關鍵。對于光線追跡的過程，OpticStudio 支持光線的分裂、散射、衍射、折射和反射等，但這篇文章將討論如何從一開始發(fā)射一束光線，以正確表示光源的空間分布和角分布。

我們將討論如何模擬多種不同的 Lumileds 公司生產(chǎn)的 LED，但是其他復雜的光源例如：汞燈、白熾燈的建模也都可以參考本例的設計過程。

對 LED 建模

OpticStudio 包含多種光源物體類型來近似模擬初始光源的屬性。例如可使用燈絲光源 (Source Filament), 圓柱體光源 (Source Volume Cylinder) 來有效模擬熒光管。本文的設計過程則側(cè)重于使模型更貼近實驗及測量的空間分布（近場）和角分布（遠場）數(shù)據(jù)。

由于所要模擬的LED是以光度學單位來測量的，因此在建模中我們需要先設置所使用的光度學單位。在系統(tǒng)選項 (System Explorer) -> 單位 (Unit) 中選擇光源單位為流明 (Lumens)：

可以看到，照明將以 Lux 為單位（流明每平米），流明強度的單位為 Candela（流明每立體角）。光亮度的單位為 Candela 每平方米。

使用徑向光源

使用徑向光源是最簡單的輸入制造商數(shù)據(jù)的方法之一。下面這個案例為 Luxeon 的紅色 LED（LXHL-BD01）的流明分布，其分布數(shù)據(jù)如右表所示。我們可以從下圖中清晰的看到“蝙蝠翅膀”形狀的角分布特性：

在附件文件中的 radial_source.zmx 文件中包含兩個物體：一個徑向光源和一個探測器。徑向光源是平面物體，其形狀為矩形或橢圓形，并且根據(jù)供應商提供的角分布數(shù)據(jù)發(fā)射光線。

需要注意的是，徑向光源允許將角分布數(shù)據(jù)設為變量，因此我們可以根據(jù)特定的應用環(huán)境，對光源的角分布進行優(yōu)化。在這篇文章中我們需要光源模型盡可能貼近實驗數(shù)據(jù)，因此不會應用到這一功能。然而在設計的初期，我們往往需要確定光源角分布的大致情況，此時通過優(yōu)化來預估角分布是非常有效的。

從供應商數(shù)據(jù)中，我們已知光源的直徑為6mm，標稱輸出為27流明。將這些數(shù)據(jù)添加到徑向光源物體中，并設置陳列光線數(shù)量為30根。從下圖中我們可以在布局圖中看到光源的空間分布和角分布：

我們可以設置更多的分析光線以在探測器中得到更符合實際的結(jié)果。將分析光線設置為一百萬根，此時我們可以更清晰的看到光源模型的空間分布和角分布數(shù)據(jù)：

可以看到所計算的流明強度分布和供應商提供的數(shù)據(jù)基本相符。但是供應商并沒有提供 LED 的強度數(shù)據(jù)（以及 LED 的空間結(jié)構(gòu)），因此 OpticStudio 假設光源在3mm的半徑內(nèi)是均勻分布的。在沒有更多可用數(shù)據(jù)的情況下，這些就是我們所能做的所有設置了。如果想進一步提高模擬的精度，我們需要空間分布數(shù)據(jù)和角分布數(shù)據(jù)，這分別對應了光源強度和光源照度。

使用輻射光源模型

本節(jié)使用了 OpticStudio 中旗艦版的功能。

Radiant Imaging公司使用高線性度、低噪聲的相機，通過一系列經(jīng)過校準的16位灰度值對光源進行測量，并將這些數(shù)據(jù)保存在對應的數(shù)據(jù)庫文件中。該公司的 ProSource 軟件可以使用多種方式展示光源的空間分布和角分布數(shù)據(jù)。這相比之前討論的徑向光源模型更加完整。

OpticStudio 的旗艦版用戶可以借助RSMX光源模型 (Radiant Sourve Models) 工具庫對光源進行模擬。只要供應商已經(jīng)將數(shù)據(jù)文件提供給 OpticStudio，那么用戶可以在該工具庫中下載對應的 RSMX 光源文件。在 OpticStudio 中，您可以基于這些數(shù)據(jù)生成光源光束。接下來我們將使用 Lumileds 公司型號為 LXML-PD01 的 LED 進行演示建模。

首先，我們可以從RSMX光源模型工具庫中下載 RSMX 文件。該工具位于數(shù)據(jù)庫 (Library) 選項卡 -> RSMX 光源模型 (Radiant Source Model) -> 下載 RSMX光源模型 (Download Radiant Source Model)。在下載界面中也包含一部分光源數(shù)據(jù)。下載完成的光源文件將保存在 Zemax 根目錄\Object\Source\Radiant Source Model Files 文件夾中。

使用光源數(shù)據(jù)文件最大的優(yōu)點在于可以使用文件中的所有測試數(shù)據(jù)，這包括光源中的反射、散射以及全反射光線。我們可以通過打開光源文件查看器來檢查 RSMX 光源文件，該工具位于數(shù)據(jù)庫選項卡 -> RSMX 光源模型 -> 查看 RSMX 光源模型 (View Radiant Source Model)。下圖為未點亮的 LED 以及點亮的 LED 的示例圖片。通常情況下，供應商還會提供幾張 LED 的校準圖，以讓用戶快速了解 LED 的幾何結(jié)構(gòu)。

為了顯示得更加清晰，測量數(shù)據(jù)以偽彩圖的形式進行顯示。這會展示出光源結(jié)構(gòu)中更多的細節(jié)信息。例如，芯片上連接的電極線會擋住部分光源發(fā)射的光線，并且在發(fā)光表面上存在十字交叉線的圖案也存在遮擋部分光的問題。為了計算光源模型的流明強度（光亮度），供應商會對光源拍攝大量圖片。

下一步是將光源模型轉(zhuǎn)換為我們可以在 OpticStudio 的模擬中使用的形式。OpticStudio 內(nèi)置了將 RSMX 文件轉(zhuǎn)換為文件光源 (Source File) 的工具，您可以在RSMX光源模型的下拉菜單中找到：

上圖中的設置表明：

·我們將根據(jù)下載的 RSMX 文件生成一百萬根光線

·光線的光譜分布為窄帶高斯分布，中心波長為0.6325μm，最小/最大值為0.62μm和0.645μm（分布的兩個標準差距離）

·光線將在2π立體角內(nèi)發(fā)射

·LED 封裝表面是半徑約為1.5mm的球面，我們選擇在半徑為1.5mm的球面上產(chǎn)生光線

需要注意的是，光源文件必須保存在 Zemax 根目錄下的 Object 文件夾中。由于波長數(shù)據(jù)從此文件中載入，因此文件的擴展名必須為 .sdf 格式。

所生成的數(shù)據(jù)文件本質(zhì)上是一系列光線，并且包含起始位置數(shù)據(jù) XYZ，起始方向余弦 LMN 以及波長數(shù)據(jù)。為了使用該數(shù)據(jù)，物體類型需要從徑向光源改變?yōu)槲募庠矗⑶倚枰x擇剛生成的光源文件 LUMI_LXHL_PD01_red.SDF。設置陳列光線條數(shù) (Layout Rays) 為五百根，分析光線條數(shù) (Analysis Rays) 為一百萬根（所允許的最大值，這是由于文件光源中僅包含一百萬根光線）。

需要注意的是，文件光源中的光線的書序并不是隨機的，我們需要隨機選取光線以使它們在布局圖中正確顯示。為了在布局圖中看到隨機順序的光線，我們需要將系統(tǒng)選項 -> 非序列 -> 最大文件光源內(nèi)存 (Maximum Source File Rays in Memory) 的參數(shù)設置為大于一百萬的數(shù)值。

然后，在非序列元件編輯器中，設置文件光源的參數(shù)“隨機？ (Randomize?)”設為非零的值。這將使 OpticStudio 在布局圖中隨機選擇光線顯示：

對于隨機光線需要注意的是，我們必須在內(nèi)存中保存所有光源文件中的光線，因此較大的光源文件對內(nèi)存的要求較高。當我們運行光線追跡后，光源的空間分布和角分布如下圖所示：

該數(shù)據(jù)文件相比徑向光源擁有更多更細節(jié)的空間分布和角分布信息。展示光源模型空間分布的方法是對反向追跡所生成光線的測試圖像進行比較。一種簡單的查看光源空間分布的方法是在平面上生成光線，并在其后放置一個探測器。我們可以通過減小錐角（幾度）來提高分辨率，并追跡大量的光線（一千萬根）：

在文件光源后緊貼著放置一個探測器，可以看到如下空間分布圖像：

通過與原始 RSMX 文件中的測量圖像對比可以發(fā)現(xiàn)，兩者具有很高的一致性。

使用Opsira軟件

Opsira (www.opsira.de) 公司在他們的 Luca Raymaker 軟件中提供了相似的功能，它可以根據(jù)角度計測量的數(shù)據(jù)生成光束。光線根據(jù)以下設置生成：

OpticStudio 會讀取所生成的二進制 .dat 文件并加載至文件光源物體，然后采用與前文所述輻射光源相同的方法進行光線追跡。

建立復雜的幾何模型

我們討論的最后一個技巧是建立包含復雜幾何體的光源模型。這是光源的“迷你模型”，并且使用 OpticStudio 中提供的幾何體表示光源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。例如，我們可以打開 Zemax 根目錄/Samples/non-sequential/sources/led_model.zmx：

該物體由一系列更小的內(nèi)部物體組成：

它們可以用來表示 LED 的芯片、電極線、封裝點等。可以在不同物體的表面上添加詳細的光學屬性，然后進行大量的光線追跡。

該光源模型可以直接進行光線追跡，或者將光源產(chǎn)生的光線保存在光線數(shù)據(jù)庫中。在分析選項卡 -> 光線數(shù)據(jù)庫查看器 (Ray Database Viewer) 中，您可以選擇一個測試物體，并將所有入射到該物體的光線保存為一個新的光源文件。

我們還可以光線追跡的開始時，使用保存光線功能將光線保存為 SDF 或 DAT 格式的文件。例如，如果想要保存入射到物體4的光線，保存光線的語法如下所示（其中“4-”表示物體的編號）：

新的數(shù)據(jù)文件將導入到非序列元件編輯器中，以進行后續(xù)的光線追跡。

然而，復雜幾何體光源存在一個比較大的問題：你需要知道所有輸入數(shù)據(jù)的具體值！例如，電極線的表面應該使用什么樣的散射函數(shù)？基底封裝的反射率是多少？類似這樣的數(shù)據(jù)并不容易獲取。最后，復雜模型的光源數(shù)據(jù)必須與測試數(shù)據(jù)相符。這就帶來另一個問題，為什么不直接使用測量的數(shù)據(jù)呢？

通常來講，使用測量的數(shù)據(jù)更加準確并且操作方便。但是對于某些系統(tǒng)來說，特別是光源中產(chǎn)生的光線會反射回光源物體處并重新成像時，建立一個準確的復雜幾何體光源是值得的。兩種方式也可以同時使用：定義復雜物體的同時使用測量的文件光源發(fā)射初始光線。

小結(jié)

這篇文章介紹了模擬 LED 及其它復雜光源的方法：

·最簡單的方式或測量數(shù)據(jù)非常少時，使用徑向光源或其他內(nèi)置的光源模型

·由 Radiant Imaging 以及 Opsira 提供的測試數(shù)據(jù)非常準確并且使用方便，但是無法模擬反射的光線與光源幾何體之間的相互作用

·使用復雜光源模型可以有效模擬光線反射回光源幾何體上重新成像的情況