LED和LED灯具全空间分布光度测量技术

LED和LED灯具全空间分布光度测量技术

杭州远方光电信息有限公司潘建根李倩

Email: everfine@

摘要：LED这一新兴光源在光学特性、灯具设计和照明应用等方面与传统光源有很大的差别，远距离下测得的空间光强分布不足以完全表征LED或LED灯具的空间光度特性，这给LED和LED灯具开发和应用带来了挑战。随着近年来测光技术的长足发展，光源和灯具的全空间分布光度测量成为可能，它能为LED和LED灯具提供空间各方向的亮度分布、光强分布和全空间任意截面的照度分布等详尽的空间光度量。本文将重点介绍LED和LED灯具的全空间分布光度测量技术以及实现该技术的专业设备。

关键词：LED，LED灯具，近场分布光度计，亮度，光强分布、光线追踪

Full-field Goniophotometry for LEDs and LED Luminaires

Jiangen Pan Qian Li

EVERFINE CO., LTD.

Email: everfine@

Abstract: Comparing with traditional light source, LED has distinguished differences in the respect of optical property, fixture design and lighting application, the luminous intensity distribution measured in long distance can not character the photometry of LED and LED luminares sufficiently, and this bring challenges to the development and application of LED luminaires. Recent years, the measurement technique has quiet great progress, which makes the full-field photometry possible. In the full-field photometry, the luminance distribution in various directions, the luminous distribution and the illuminance distribution in an arbitrary surface, and so on can be provided. This paper will introduce the metrics of full-field photometery and the measuring equipment.

Keywords: LED, LED luminaire, full-field goniophotometer, luminance, ray tracing

1. LED和LED灯具的特点

随着半导体照明的进一步快速和深入发展，LED在道路照明、室内照明、汽车灯、手提灯具等多个领域等到了越来越广泛的应用，而同时，业界对LED灯具的二次光学设计以及利用LED灯具的空间光度数据进行照明设计的要求也越来越高。

就单颗封装LED而言，由于透镜作用不能将其简单地视作点光源[1]，LED灯具通常由多颗LED组成，LED灯具一般具有复杂的几何外形和出光面;在距离灯具较远处和较近处的光分布会存在明显的差别，并且某些部位还会由于亮度高而产生严重的眩光。上述很多LED 和LED灯具的空间光分布特点是传统的光强分布所不能表征的。

2. 全空间分布光度学概述

为了完全表征上述LED和LED灯具的空间光分布特性，需要使用全空间光度学为真实的光源建立模型。在全空间分布光度学中，用户能够了解光源或灯具的光从哪里出来，射向哪个方向，各光线的通量是多少，在空间任意距离下任一截面内的照度分布，以及从不同方向观察光源或灯具的亮度分布，如图1所示。

典型大功率LED

该大功率LED的光线分布

用该LED设计成小LED灯具

图1：全空间分布光度参量示意图

3. 全空间分布光度的测量方法

全空间分布光度的测量包括近场测量、远距离测量以及软件的校准和推导计算。远距离测量与传统方法相似，在距光源或灯具较远处测量其照度和光强值。近场分布光度计是全空间分布光度测量的关键，近场分布光度计由分布光度计和具有2维CCD阵列的成像亮度计组成，成像亮度计能够通过一次取样测得光源或灯具在某一方向的发光平面内各点的亮度值。

3.1 亮度分布

如图2所示，在旋转轴驱动下，近场分布光度计中的成像亮度计绕被测光源转动，在包围被测光源的球面上测量被测光源在各方向的亮度分布。通过亮度分布可以直观地得到LED 和LED灯具在给定角度下的亮度分布，并进而可以得到该角度下的发光面面积、最大亮度和平均亮度等信息。该方法能够方便准确地测量出LED路灯闪亮面积。

成像亮度计在包围球面上测量亮度分布

LED路灯的76°方向亮度(闪亮面积)

图2：近场分布光度计的亮度分布测量

3.2 光线分布

根据亮度分布推导出光线分布，通过软件生成数百万条光线，每根光线都包括起点位置、方向向量和通量[2]。

亮度分布测量示意图

将像元变换到C坐标系

D坐标系和S坐标系

图3：近场光度计光线分布计算的坐标系

由亮度分布推导光线分布需要进行大量复杂的运算，一般包括以下主要步骤：

1)将(i,j)像元变换为以包围球面上的点为原点的C坐标系;

2)将C坐标下的亮度用立体角面元和包围球面面元加权，求得在各包围球面面元在立体角元的通量

3)将坐标变换到以转台旋转中心为原点的D坐标系;

4)将坐标变换到以被测光源为中心的S坐标系。

3.3光强分布

光强是将被测光源视作点光源，考察其在空间给定方向的立体角元内的光通量。为将LED和LED灯具视作点光源，理想的测量或计算的光强距离应为无穷远。全空间分布光度计可与传统光强测量方法相同，利用长距离的光度探头测量照度，并通过距离平方反比定律近似计算出远场光强：，d为测量距离。但对一些出光面大、光束窄、出光较为复杂的LED灯具，光强值会因为d不够大而存在较大误差，如图4所示，当测量距离d不够时，探测器接收到的光线的方向会与光强的方向不一致。

测量距离不够大时的光线接收方向

测量距离足够大时的光线接收方向

图4：光强测量中探测器接收的光线示意图