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为什么光学设计工程师反映,近场测试的仿真效果与实际情况差太多?

我是做照明的,我们体验了多家近场测试服务,发现仿真效果不理想,精度达不到预期,跟实际情况差了很多,能否帮忙解释下这是什么原因,市面上有没有好的解决办法?
刘小波 · 2019-04-29
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这位朋友在实际工作中,不仅在使用近场文件,而且在考虑近场文件(Ray file)的准确性,无疑是已经走在许多业者的前列。 


实际上,许多业者还没有养成使用“测试的Ray file”进行设计工作的习惯。为了说明这个问题,我从三个主要方面进行说明,部分内容可能有些basic,不过还是希望能系统说明一下,便于更多人了解。 

一、从LED的光学特性看近场文件的重要性 

在LED光源已经广泛应用的今天,仍有相当一部分公司或设计人员,沿用传统的方法,将LED当做一个点光源进行建模,然后进行仿真设计。这实际上是大部分设计与实际效果差异偏离的主要原因。 

从直观印象来看,LED相对于传统的光源确实尺寸更小,更接近于一个点光源,但真实情况并非如此。LED光源比传统的光源更加复杂,将LED视作点光源是错误的做法。

LED具有不同的封装形式,不同封装可能包含不同尺寸、不同类型、不同位置的芯片。封装及芯片的位置可能有不同的机械公差。从单一芯片到复杂的多方向非球面透镜设计,可能包括不同的部件,例如透镜、有色材料、扩散片、荧光粉等,任何一种部件都可能改变芯片的空间光强分布和光谱能量空间分布。

下面我们以一个TO封装的带有透镜封装的LED为例,采用光纤追迹法(Ray Tracing)来了解一下真实的LED。


如果我们对LED做一个光线追迹,可以看到在LED的前方(红)、侧方(蓝)、后方(绿)都有发射出来的光线。


加装透镜的LED光源光纤追迹: 


现在进入重点,我们对LED封装外部的光线进行反向追迹,注意红色光线: 


同样如下图,对其它蓝色及绿色光线反向追迹,会发现有多个光学中心,至少可以定义出3个有明显发射光的区域。因此,LED具有非常多的交叉光线,决不可以作为点光源。


那么交叉光线对仿真结果影响如何呢?

如果没有交叉光线,那么LED在不同方向、距离处的照度或光强,可以简单的通过平方反比定律计算得到。但如果有交叉光线,则无法进行简单计算,而是需要根据不同方向、距离处一定面积接收到的光线积分,得到该位置的照度或光强。

显然只有知道交叉光线,也就是Ray file光线文件,才可进行这样的仿真计算。将LED当作点光源进行仿真,偏差不可避免。


另一方面,由于LED芯片离光学元件都是非常近,因此也需要知道LED的近场特性,才能进行进一步的设计。

如下图,考虑了LED本身形状的绿色光线与采用点光源的红色光线相比,能得到更精确的仿真效果,绿色光线就是近场光描述下的LED。 


二、近场Ray file测试原理

近场分布式光度计通常采用亮度相机围绕光源运动,采集到不同方向上的亮度图像。并将该图像依据空间位置,计算得到在该位置的每个像素上的光通量,并转为光线数据。


所有方向上的光线集成到一起,就形成一个完整的光线文件(Ray file)。 


三、仿真效果差的原因:影响近场测试精度的因素

作为测试结果,Ray file本身比单一的物理量要复杂,测试方法也更加复杂。从计量学的角度,对于Ray File测量的不确定度计算到目前还没有解决,也没有一个方法对两个Ray file 进行直接对比。 

通常,我们只能通过由Ray file计算出来的光强或照度分布来评价Ray file 的准确性。不过,我们可以从以下几个方面来分析Ray file的精度问题。 

1.近场分布式光度计本身因素 

从光线的定义看,光线包含了出射点、方向和能量(光通量),因此可以推断以下几个因素可影响测试精度: 

(1)角度计的机械定位精度 

(2)角度计的中心与相机中心在不同方向保持一致

(3)图像精度(镜头畸变、像差等)

(4)像素位置精度(与测试距离、张角有关)

(5)亮度测试精度

(6)立体角测试精度(将亮度转为光强或照度必须)

由于以上是近场分布式光度计本身的固有的因素,我们可以做的很有限。以下两个方面才是关注的重点。 

2.测量的空间解析度(测试步进) 

我们知道,Ray file 是通过不同方向的亮度图像集成而来的。那么就存在一个采集图像的步进问题,也就是每隔多少角度测试一副图像,因为是圆形扫描,因此这里的步进单位是角度。 

根据我们调研的结果,目前近场测试的第三方机构通常使用的步进在5°到10°之间。说实话,这个步进采样数量有点少,是与仿真效果差的主要原因之一。

在我们测量理论上,有一个尼坤斯特-香农采样定律(Nyquist-Shannon sampling theorem)。 简单说,就是采样频率一定要比样品中的最大频率高出两倍,才能得到比较准确的测试结果。

对于LED而言,我们可以把光强的梯度变化作为采样密集程度的依据。一般来说,光强梯度变化较大的LED,采用间隔应小于1°。

例如路灯用LED和汽车近场灯,它们带有透镜,具有明显的角度分布特点,即光强的梯度变化比较明显,因此必须采用密集的采样,也就是比较小的步进间隔,通常小于1°。

下图中的路灯用LED单元,采用 0.75°X0.75°测试。汽车近光灯建议选择0.1°步进。


即便是朗伯特性的LED,也应尽可能采用较高的扫描间隔,不大于2.5°。而对于非常接近朗伯光源特性的LED,才可以采用较大的步进,例如5°X 5 °,这样对于评估远场光强分布,精度看上去还是可以接收的。 

对于有多个芯片封装的大功率模组产品,尽管表现出接近朗伯光源的特性(远场),但它的近场特性仍然很复杂,因此,仍然应该尽可能采用较高的采样频率。

3.测试时样品位置精度及LED本身制造公差

根据描述的测试原理,样品的实际对准情况与测试结果和后期处理Ray file关系重大,因此需要做好测试前的精细对准。最好在拿到的测试报告中,要求附上对准时的图像,作为后期Ray File分析的依据。


另外,在LED生产过程中,难免有与规格有偏差之处,例如LED芯片位置、透镜安装位置等,选择一个Gold Sample,或者多测几个同型号产品的Ray file,就能了解其公差特性。 

总结:

近场Ray File文件仿真效果差,主要原因是测试的角度解析度低,建议光强梯度变化比较大的样品,采用小于1°的步进,即使是普通的LED光源,也应尽可能采用较高的角度解析度,建议不大于2.5°。

另外,还应关注该型号LED本身封装造成的公差,虽然也有近场分布式光度计本身精度的问题,不过由于无法掌控,这里不展开讨论。

现在许多中小微企业存在资金不足、检测设备使用率低、无法配置专业测试人员以保证测试精度的情况,对此,光傲科技配置的德国TechnoTeam公司RiGO 801-LED近场分布式光度计应该是不错的选择。

它可以针对直径小于200mm的各种光源,如LED/OLED、模组、发光单元、MicroLED进行测试,项目包括近场文件(Ray file)、光谱Ray file、光通量、光谱分布、平均光谱等,能够提供 0.1°-2.5°之间的步进解析度,带来更好的仿真效果。

以上是我的回答,希望对你有所帮助!

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从事光电计量测试行业近20年,将国际先进的计量测试技术和产品与国内计量院所、显示行业、照明行业,以及航空、航天部门实际需求结合,提出“测试就是生产力”理念,将计量测试与生产、研发深度关联,以最优化的测试方案解决研发、生产中的问题和困扰。尤其对显示优化校正、近场光、光环境评价有丰富经验。
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