本課程提供照明系統(tǒng)中光源的介紹，作為照明系統(tǒng)光源的信息中心。本課是照明學(xué)習(xí)路徑的第二課。在這一課中，將描述照明系統(tǒng)中的各種光源類型以及如何這些使用光源。光源是照明系統(tǒng)的起點(diǎn)和支點(diǎn)，可以說(shuō)是照明設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的部分。

簡(jiǎn)介：照明系統(tǒng)中光源的剖析

光源有許多不同的形狀、大小和形式，但用于照明設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)是：來(lái)自光源光線的位置x、 y、 z，光線的方向角l、 m、 n，光線的能量、波長(zhǎng)或顏色。
在最簡(jiǎn)單的情況下，當(dāng)光學(xué)元件遠(yuǎn)離光源時(shí)，它可以近似為一個(gè)點(diǎn)光源。方向分布的簡(jiǎn)化情況可以近似為各向同性分布或朗伯分布。

由于缺乏一個(gè)綜合的光源模型，有時(shí)照明系統(tǒng)的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不匹配。對(duì)于離光學(xué)元件較近的光源，將存在具有表面分布可能性的光收集立體角較大的情況。在這種情況下，一個(gè)包含物理尺度上反射和折射的完整光源模型可能更適合于得到與現(xiàn)實(shí)生活相符合的實(shí)現(xiàn)結(jié)果。只能說(shuō)，當(dāng)點(diǎn)光源或平行光束等光源足以代表照明系統(tǒng)時(shí)，這類簡(jiǎn)化模型對(duì)照明系統(tǒng)來(lái)說(shuō)并不是一個(gè)錯(cuò)誤的選擇。如果與近似光源相比，更復(fù)雜的光源不會(huì)改變結(jié)果，那么更直接的光源能夠更有效地模擬系統(tǒng)。

不同的光源

雖然光源的數(shù)目很多 ，下面我們將介紹我們?cè)谡彰髟O(shè)計(jì)中使用的幾個(gè)有代表性的光源。
LEDs (發(fā)光二極管)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)和磷模型
LDs (激光二極管)
白熾光源，如燈泡和太陽(yáng)
熒光光源，如熒光燈
金屬蒸汽光源，如 金屬鹵化物燈
高壓氣體放電光源

這些光源的建模將包括光譜、輻射、亮度分布信息。
有四種方法可以創(chuàng)建復(fù)雜的光源模型。
1.幾何模型：光源的物理模型。二極管、環(huán)形反射鏡、焊線、模具和外部包裝均為幾何建模結(jié)果。一方面，這種方法給出了一個(gè)許多假設(shè)符合光源幾何形狀的復(fù)雜光源。其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需復(fù)雜的光學(xué)測(cè)量，且物理形狀允許公差分析。另一方面，發(fā)射特性是假定的，材料的反射和折射特性是近似的，組件的建模可能比軟件中需要考慮的更復(fù)雜。
2.輻射模型：測(cè)量具有代表性示例的光源輸出。測(cè)量是在測(cè)角儀上的探測(cè)器上進(jìn)行的，測(cè)量光源的方位角和極角 。之后可將該模型導(dǎo)入并用于照明仿真中。一方面，測(cè)量是準(zhǔn)確的，與它們?cè)谙到y(tǒng)中應(yīng)有的情況相符。另一方面，這些模型不考慮再次入射的光，它們的數(shù)據(jù)受限于收集的測(cè)量范圍，并不是所有的光源都能被測(cè)量且可供訪問(wèn)，這可能導(dǎo)致只能一次性測(cè)量并且成本很高。
3.系統(tǒng)模型：這是幾何模型和輻射模型的結(jié)合，利用了兩種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，消除了每個(gè)模型的缺點(diǎn)。該模型的缺點(diǎn)是，這兩個(gè)系統(tǒng)的集成并不簡(jiǎn)單。
4.物理輻射：光致發(fā)光是某些具有旋光性的分子吸收、向下轉(zhuǎn)換和重新發(fā)射較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光的趨勢(shì)。在OpticStudio中，可以通過(guò)吸收、發(fā)射和量子光譜數(shù)據(jù)來(lái)模擬這種現(xiàn)象，這些數(shù)據(jù)以文本文件的形式提供。該光致發(fā)光模型可以選擇性地與Mie體散射模型配對(duì)，以便對(duì)嵌入在散射主體中的光致發(fā)光材料進(jìn)行建模。另外，有關(guān)磷光粉和熒光的討論可以在設(shè)置選項(xiàng)卡(The Setup Tab)->編輯器組(Editors Group)(設(shè)置選項(xiàng)卡Setup Tab)->非序列組件編輯器(Non-sequential Component Editor)->體散射(Volume Physics)->磷光和熒光(Phosphors & Fluorescence)的幫助文件或PDF幫助文檔：OpticStudio_UserManual_en.pdf中查看。

點(diǎn)光源

有些光源與光學(xué)系統(tǒng)相比很小，可以簡(jiǎn)化為點(diǎn)光源進(jìn)行更直接的計(jì)算，甚至可以在序列模式中進(jìn)行模擬。
例如一些小的LED、大多數(shù)單模激光二極管(LDs)和一些多模激光二極管均擁有很小的表面積，這些光源可以被看作一個(gè)點(diǎn)。

如果光源可以減少到一個(gè)點(diǎn)，那么許多計(jì)算就會(huì)更直接，并且在優(yōu)化和光線追跡模擬方面涉及的計(jì)算機(jī)能力需求也會(huì)更少。這是在幾個(gè)或一些迭代設(shè)計(jì)之后，檢查系統(tǒng)光源的實(shí)際大小的一個(gè)很好的做法。只有當(dāng)鏡頭的優(yōu)化進(jìn)展足夠大時(shí)，光源的大小才有更顯著的影響。當(dāng)設(shè)計(jì)點(diǎn)光源時(shí)，我們不考慮光源的大小，所以我們?cè)谶x擇照明方案的近似值時(shí)必須謹(jǐn)慎。

已建模的光源：OpticStudio中默認(rèn)的光源

OpticStudio中非序列光源的完整列表中包括點(diǎn)、橢圓、矩形、體、數(shù)據(jù)文件和用戶自定義類型的光源。OpticStudio中的默認(rèn)光源非常方便，而且大多數(shù)光源都可以建模。
衍射光源(Source Diffractive)：具有所定義UDA的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖樣的光源。
二極管光源(Source Diode)：具有獨(dú)立的X/Y分布的二極管陣列。
DLL光源(Source DLL)：由用戶提供的外部程序定義的光源。
橢圓光源(Source Ellipse)：可以從虛擬光源點(diǎn)發(fā)射光線的橢圓形表面。該光源可用于模擬在快、慢軸上具有不同光束發(fā)散的激光二極管。
EULUMDAT文件光源(Source EULUMDAT File)：在EULUMDAT格式文件中的燈光數(shù)據(jù)定義的光源。用法示例請(qǐng)參見(jiàn)文章 "ZEMAX | 如何使用極探測(cè)器和 IESNA / EULUMDAT 光源數(shù)據(jù)"。
燈絲光源(Source Filament)：螺旋燈絲形狀的光源。
文件光源(Source File)：已在文件中列出其光線的用戶自定義光源。LED文件通常是大多數(shù)主要的LED制造商分發(fā)的。
高斯光源(Source Gaussian)：具有高斯分布的光源。
IESNA 文件光源(Source IESNA File)：由IESNA格式文件中的燈光數(shù)據(jù)定義的光源。用法示例見(jiàn)文章 "Ansys Zemax | 如何將光線追跡結(jié)果導(dǎo)出為IES格式"。
CAD導(dǎo)入光源(Source Imported)：由導(dǎo)入物體的形狀定義的光源。
物體光源(Source Object)：由其它物體的形狀定義的光源。
點(diǎn)光源(Source Point)：輻射成圓錐形的點(diǎn)光源。圓錐可以是零寬度，或擴(kuò)展到一個(gè)完整球面（如果需要）。
徑向光源(Source Radial)：基于任意強(qiáng)度與角度數(shù)據(jù)的樣條擬合的徑向?qū)ΨQ光源。該光源可用于模擬某些復(fù)雜徑向分布LD變體(如VCSELs)。
單光線光源(Source Ray)：與光線方向余弦信息相一致的點(diǎn)光源。
矩形光源(Source Rectangle)：可以從虛擬光源點(diǎn)發(fā)射光線的矩形表面。
管光源(Source Tube)：圓柱管形狀的光源。
雙角光源(Source Two Angle)：光線由矩形或橢圓形表面發(fā)射到在X和Y方向上具有不同角度的圓錐體區(qū)域。
圓柱體光源(Source Volume Cylinder)：形狀為具有橢圓形截面的圓柱體形狀的體光源。
橢球體光源(Source Volume Ellipse)：橢圓體形狀的光源。
矩形體光源(Source Volume Rectangle)：形狀為矩形的體光源。

(光源的完整列表可以在設(shè)置選項(xiàng)卡(The Setup Tab)->編輯器組(Editors Group)(Setup選項(xiàng)卡)->非序列組件編輯器(Non-sequential Component Editor)->非序列光源(Non-sequential Sources)的幫助文件或者在PDF幫助文件OpticStudio_UserManual_en.pdf中找到)。

已建模的光源：復(fù)雜的光源模型

相比于OpticStudio中的默認(rèn)光源，對(duì)復(fù)雜光源也可以進(jìn)行建模。
LED的另一種建模方法是對(duì)LED的各個(gè)組件進(jìn)行幾何建模。例如，可以使用LED結(jié)構(gòu)進(jìn)行LED建模，包括發(fā)光管芯、透鏡外殼、引線接口、反射拋物面，甚至是電端子。

另一種LED光源可以包括磷光效應(yīng)，把LED芯片上發(fā)出的藍(lán)光變成黃光，產(chǎn)生混合白光。
使用這些幾何模型將上面的列表中的一種光源模型用LED組件包圍起來(lái)，我們可以優(yōu)化反射拋物面的形狀或透鏡的形狀，以及發(fā)光二極管到反射拋物面的位置。上述透鏡的形狀及元件的位置必須得到準(zhǔn)確測(cè)量，從而通過(guò)優(yōu)化元件的各項(xiàng)參數(shù)，使OpticStudio中模擬的光線與實(shí)測(cè)的發(fā)射結(jié)果相吻合，從而完成建模。
雖然這種幾何建模是有用的，并很好地代表了LED，但有可能某些形狀和尺寸的組件和透鏡并不存在于產(chǎn)品目錄中，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確輸入的情況。此外，即使是您自己測(cè)量的這些元件也不一定能得到正確的結(jié)果，因?yàn)檫@些光源在生產(chǎn)過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生很大的變化。上述問(wèn)題最關(guān)鍵的情況發(fā)生在靠近發(fā)射源的組件上，即對(duì)典型LED的管芯和反射器的測(cè)量。
此外，利用體物理學(xué)，可以描述藍(lán)光與黃光的交換量。

這是上面提到的幾何建模的擴(kuò)展內(nèi)容，但是在建立LED中管芯的物理模型上進(jìn)行了更進(jìn)一步的討論。通過(guò)對(duì)LED自身的主動(dòng)發(fā)射進(jìn)行建模，可以更接近地表征LED的發(fā)光過(guò)程。雖然這個(gè)方法很準(zhǔn)確，由于顏色交換的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)、磷的散射性質(zhì)、半導(dǎo)體元件(通常是n > 2.5)與磷和鏡頭外殼（通常是n?1.5）相比折射率較高，光線追跡需要更長(zhǎng)的時(shí)間執(zhí)行。

導(dǎo)入LED數(shù)據(jù)文件

使用制造商提供的光源文件可以很好的表示一個(gè)LED真實(shí)光源。這個(gè)光源文件可以是一個(gè)具有強(qiáng)度分布的平面，也可以是一個(gè)光線的體分布。平面在一定程度上忽略了輻射的空間變化，而體分布則較好地反映了光線數(shù)據(jù)的空間分布。