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)的起點和支點，可以說是照明設(shè)計中最關(guān)鍵的部分。

作者 Katsumoto Ikeda

簡介：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)計的數(shù)據(jù)是：來自光源光線的位置x、 y、 z，光線的方向角l、 m、 n，光線的能量、波長或顏色。

在最簡單的情況下，當(dāng)光學(xué)元件遠(yuǎn)離光源時，它可以近似為一個點光源。方向分布的簡化情況可以近似為各向同性分布或朗伯分布。

由于缺乏一個綜合的光源模型，有時照明系統(tǒng)的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果不匹配。對于離光學(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)實生活相符合的實現(xiàn)結(jié)果。只能說，當(dāng)點光源或平行光束等光源足以代表照明系統(tǒng)時，這類簡化模型對照明系統(tǒng)來說并不是一個錯誤的選擇。如果與近似光源相比，更復(fù)雜的光源不會改變結(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在照明設(shè)計中使用的幾個有代表性的光源。

• LEDs (發(fā)光二極管)，單片機(jī)驅(qū)動和磷模型

• LDs (激光二極管)

• 白熾光源，如燈泡和太陽

• 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許多假設(shè)符合光源幾何形狀的復(fù)雜光源。其優(yōu)點是無需復(fù)雜的光學(xué)測量，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?？赡鼙溶浖行枰紤]的更復(fù)雜。

2. 輻射模型：測量具有代表性示例的光源輸出。測量是在測角儀上的探測器上進(jìn)行的，測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，測量是準(zhǔn)確的，與它們在系統(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)受限于收集的測量范圍，并不是所有的光源都能被測量且可供訪問，這可能導(dǎo)致只能一次性測量并且成本很高。

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，消除了每個模型的缺點。該模型的缺點是，這兩個系統(tǒng)的集成并不簡單。

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)射較長波長的光的趨勢。在OpticStudio中，可以通過吸收、發(fā)射和量子光譜數(shù)據(jù)來模擬這種現(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，以便對嵌入在散射主體中的光致發(fā)光材料進(jìn)行建模。可以點擊此處查看一篇關(guān)于光致發(fā)光的文章 。另外，有關(guān)磷光粉和熒光的討論可以在設(shè)置選項卡(The Setup Tab)->編輯器組(Editors Group)(設(shè)置選項卡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。

點光源

有些光源與光學(xué)系統(tǒng)相比很小，可以簡化為點光源進(jìn)行更直接的計算，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點。

如果光源可以減少到一個點，那么許多計算就會更直接，并且在優(yōu)化和光線追跡模擬方面涉及的計算機(jī)能力需求也會更少。這是在幾個或一些迭代設(shè)計之后，檢查系統(tǒng)光源的實際大小的一個很好的做法。只有當(dāng)鏡頭的優(yōu)化進(jìn)展足夠大時，光源的大小才有更顯著的影響。當(dāng)設(shè)計點光源時，我們不考慮光源的大小，所以我們在選擇照明方案的近似值時必須謹(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、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)場衍射圖樣的光源。

• 二極管光源(Source Diode)：具有獨立的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。用法示例請參見文章 "如何使用極探測器和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。例如在 "如何用OpticStudio使用歐司朗 LED數(shù)據(jù)" 和 "如何從RSMX光源模型生成光線集"。

• 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。用法示例見文章 "如何以 IES格式導(dǎo)出光線追跡結(jié)果 "。

• 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。用法示例見文章 "如何將任何物體轉(zhuǎn)化為光源物體"。

• 點光源(Source Point)：輻射成圓錐形的點光源。圓錐可以是零寬度，或擴(kuò)展到一個完整球面（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)。用法示例見文章 "如何建立LED和其他復(fù)雜光源模型 ".

• 單光線光源(Source Ray)：與光線方向余弦信息相一致的點光源。

• 矩形光源(Source Rectangle)：可以從虛擬光源點發(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)置選項卡(The Setup Tab)->編輯器組(Editors Group)(Setup選項卡)->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，對復(fù)雜光源也可以進(jìn)行建模。

LED的另一種建模方法是對LED的各個組件進(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，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)確測量，從而通過優(yōu)化元件的各項參數(shù)，使OpticStudio中模擬的光線與實測的發(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)致無法準(zhǔn)確輸入的情況。此外，即使是您自己測量的這些元件也不一定能得到正確的結(jié)果，因為這些光源在生產(chǎn)過程中可能會發(fā)生很大的變化。上述問題最關(guān)鍵的情況發(fā)生在靠近發(fā)射源的組件上，即對典型LED的管芯和反射器的測量。

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。通過對LED自身的主動發(fā)射進(jìn)行建模，可以更接近地表征LED的發(fā)光過程。雖然這個方法很準(zhǔn)確，由于顏色交換的統(tǒng)計性質(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，光線追跡需要更長的時間執(zhí)行。

想要了解更多，請閱讀文章 "如何建立LED和其他復(fù)雜光源模型 "。

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LED真實光源。這個光源文件可以是一個具有強(qiáng)度分布的平面，也可以是一個光線的體分布。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。文章 " 如何在 OpticStudio中使用歐司朗的LED數(shù)據(jù)"和"如何對LED和其他復(fù)雜光源進(jìn)行建模 "中給出了一個導(dǎo)入LED光源數(shù)據(jù)的例子。

關(guān)于光源的實用文章

在知識庫中有一些有用的光源示例。

	如何對LED和其他復(fù)雜光源進(jìn)行建模: 本文將介紹如何對幾個復(fù)雜光源進(jìn)行建模。以下是一些令人感興趣的主題： 使用徑向光源: 徑向光源是輸入來自制造商數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)的最簡單的方式。一個很好的示例為將產(chǎn)品數(shù)據(jù)表上提供的LED數(shù)據(jù)輸入光源中。通過以上方式可以清楚地觀察到光源角空間分布上的“蝠翼形狀”分布。 在OpticStudio中使用Radiant 光源模型: 使用Radiant光源的主要好處是，模型內(nèi)具有完整的測量數(shù)據(jù)，可以看到反射、散射、全內(nèi)反射的影響。通常，模型內(nèi)存在有幾張校準(zhǔn)照片可用，這讓用戶獲得一些關(guān)于LED幾何形狀的知識。 建立復(fù)雜幾何模型 : 建立復(fù)雜幾何光源模型的方法。這是光源的“迷你模型”，它使用OpticStudio內(nèi)部提供的幾何光源以及一系列其他物體，用于表示光源的內(nèi)部構(gòu)造。示例數(shù)據(jù)在 {Zemax}/Samples/Non-Sequential/Sources/led_model.zmx文件中提供。
	如何創(chuàng)建陣列光源: OpticStudio允許將所有光源復(fù)制為陣列。陣列光源比同一光源的多個實例更有效，特別是在使用數(shù)據(jù)文件定義光源時。陣列類型包括矩形網(wǎng)格、六邊形陣列等。本文給出了使用此功能的示例。
	如何對彩色和三刺激光源進(jìn)行建模: 本文描述了非序列模式下可用于定義寬帶光源的各種光源模型。這些模型分為兩類：(1)基于實測光譜的光源定義和(2)基于三刺激值的光源定義。了解如何對不同的光源建模并分析光度響應(yīng)，對于創(chuàng)建包括數(shù)字顯示和投影系統(tǒng)在內(nèi)的眾多光學(xué)系統(tǒng)至關(guān)重要。
	如何從RSMX光源模型生成光線集: 對復(fù)雜光源最常規(guī)的描述可在Radiant光源模型(RSMX)文件中給出。這個文件包含光源的測量輻射強(qiáng)度或發(fā)光強(qiáng)度，它是波長、位置和角度的函數(shù)。因此，這個文件可以準(zhǔn)確地用于描述光源在近場和遠(yuǎn)場中的輸出。本文將展示如何從下載的RSMX文件生成光線集來建立復(fù)雜的光源模型。
	如何使任何物體成為光源物體: 本文描述如何使用光源物體創(chuàng)建任何幾何尺寸和形狀的光源。光源物體提供了將任何物體轉(zhuǎn)換為光源物體(包括導(dǎo)入的CAD物體)的靈活性。OpticStudio的非序列模式中有很多的標(biāo)準(zhǔn)光源物體，但是可能會出現(xiàn)我們想要對軟件中沒有立即可用的光源進(jìn)行建模的情況。這種方法對于建立自發(fā)光物體是很理想的，如燈絲或發(fā)熱物體的建模。

 

 

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