Ansys Zemax | 如何模拟 LED 及其它复杂光源

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

Ansys Zemax 感谢 Radiant Imaging ，Opsira 和 Lumileds 公司为本文提供的实验数据。

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。

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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)：

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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：

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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。

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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：

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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：

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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。

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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。

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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：

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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。

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然后，在非序列元件编辑器中，设置文件光源的参数“随机？ (Randomize?)”设为非零的值。这将使 OpticStudio 在布局图中随机选择光线显示：

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对于随机光线需要注意的是，我们必须在内存中保存所有光源文件中的光线，因此较大的光源文件对内存的要求较高。当我们运行光线追迹后，光源的空间分布和角分布如下图所示：

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该数据文件相比径向光源拥有更多更细节的空间分布和角分布信息。展示光源模型空间分布的方法是对反向追迹所生成光线的测试图像进行比较。一种简单的查看光源空间分布的方法是在平面上生成光线，并在其后放置一个探测器。我们可以通过减小锥角（几度）来提高分辨率，并追迹大量的光线（一千万根）：

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在文件光源后紧贴着放置一个探测器，可以看到如下空间分布图像：

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通过与原始 RSMX 文件中的测量图像对比可以发现，两者具有很高的一致性。

使用Opsira软件

Opsira (www.opsira.de) 公司在他们的 Luca Raymaker 软件中提供了相似的功能，它可以根据角度计测量的数据生成光束。光线根据以下设置生成：

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OpticStudio 会读取所生成的二进制 .dat 文件并加载至文件光源物体，然后采用与前文所述辐射光源相同的方法进行光线追迹。

建立复杂的几何模型

我们讨论的最后一个技巧是建立包含复杂几何体的光源模型。这是光源的“迷你模型”，并且使用 OpticStudio 中提供的几何体表示光源的内部结构。例如，我们可以打开 Zemax 根目录/Samples/non-sequential/sources/led_model.zmx：

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该物体由一系列更小的内部物体组成：

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它们可以用来表示 LED 的芯片、电极线、封装点等。可以在不同物体的表面上添加详细的光学属性，然后进行大量的光线追迹。

该光源模型可以直接进行光线追迹，或者将光源产生的光线保存在光线数据库中。在分析选项卡 -> 光线数据库查看器 (Ray Database Viewer) 中，您可以选择一个测试物体，并将所有入射到该物体的光线保存为一个新的光源文件。

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我们还可以光线追迹的开始时，使用保存光线功能将光线保存为 SDF 或 DAT 格式的文件。例如，如果想要保存入射到物体4的光线，保存光线的语法如下所示（其中“4-”表示物体的编号）：

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新的数据文件将导入到非序列元件编辑器中，以进行后续的光线追迹。

然而，复杂几何体光源存在一个比较大的问题：你需要知道所有输入数据的具体值！例如，电极线的表面应该使用什么样的散射函数？基底封装的反射率是多少？类似这样的数据并不容易获取。最后，复杂模型的光源数据必须与测试数据相符。这就带来另一个问题，为什么不直接使用测量的数据呢？

通常来讲，使用测量的数据更加准确并且操作方便。但是对于某些系统来说，特别是光源中产生的光线会反射回光源物体处并重新成像时，建立一个准确的复杂几何体光源是值得的。两种方式也可以同时使用：定义复杂物体的同时使用测量的文件光源发射初始光线。

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小结

这篇文章介绍了模拟 LED 及其它复杂光源的方法：
·最简单的方式或测量数据非常少时，使用径向光源或其他内置的光源模型
·由 Radiant Imaging 以及 Opsira 提供的测试数据非常准确并且使用方便，但是无法模拟反射的光线与光源几何体之间的相互作用
·使用复杂光源模型可以有效模拟光线反射回光源几何体上重新成像的情况

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