技术分享|如何用多波长近场光线集准确模拟车灯光源系统？

测量和仿真：

图1：测试装置和芯片 

用于测量和模拟的LED样品如图1所示。这张照片显示了LED封装的发光面和4个LED芯片的连接线，一个红色LED和三个蓝色LED。测量时，LED安装在图1中的测角装置上（见灰色箭头）。

图2：使用不同滤波器拍摄的图像 

 芯片的位置如图2所示，显示的是用不同带通滤波器拍摄的辐射图像。左边的图片是用蓝色滤光片拍摄的曝光图片，它显示了三个蓝色芯片的位置。中间的图像是用红色的滤光片拍摄，它显示了红色芯片的位置以及从顶部发出的光辐射。右边的图片显示了用人眼响应曲线V(λ)滤波器拍摄的图像，它包含整个芯片封装出射光线的所有光谱。

图3：不同角度的光谱 

图3显示了不同观察角度的发射光谱。当从顶部（角度=0°）观察时，光谱的红色峰值超过蓝色峰。但在靠近红色LED芯片位置观察，随着视角的增加，光谱的形状会发生变化，蓝色峰超过红色峰值。

图4：测量光线使用的带通滤光片 

类似于这样的发光特性需要体现在光线数据中：出射光谱在同角度不同位置的变化，以及光谱受角度的影响。为此，使用了图4所示的一组带通滤波器来拍摄样品亮度图像。

图4中显示了滤光片的归一化传输特性曲线，距离样品测量距离相等。对于每个滤波器拍摄辐射图像并生成一个独立光线数据集。

图5：辐射通量  

为了对样品进行完整的模拟，用安装在测角装置上的光谱辐射计记录样品的发射光谱。图5显示了记录的辐射通量情况。

图6：光学系统(1)LED封装(2)准直部分(3)聚光部分

图6是使用”光线集”数据建模的光学系统。该系统设计的目的是在屏幕上产生均匀的照明分布，并确保整个屏幕的颜色坐标保持恒定。

图7：无聚光镜测量的实际光谱 

从图7可以看出来在没有聚光镜情况下对实际光斑光谱的测量情况。 

我们采用两组不同的“光线集”数据来建模，以对比不同模型的差异。

在第一组数据中，我们使用仅依赖于用v（λ）滤波器拍摄的亮度图像的光线数据。这个光线数据补充图5所示的频谱数据，以模拟光斑上的分布。仿真结果如图8所示。因为光线数据基于v（λ）滤光片，没有不同颜色LED芯片光谱的信息，它无法再现光分布的颜色变化，在光斑不同位置的光谱形状都是一样的。图8的插图就是模拟的光斑分布。图像中的轻微不均匀是由于不同的统计数据造成的，在模型中，图像的中心使用了更多的光线。

图8：光学模拟 

为了改善这种情况，通常的做法是为一个led封装提供两个光线数据集，一个用于蓝色光谱区域，另一个用于黄色光谱区域，然而在模拟结果中还是有很大的局限性。

第二组数据基于七个光线数据集，这些光线数据集使用了图4的滤光片，还使用了图5所示的辐射数据。仿真结果如图9所示。模拟的光谱再次按红色峰被归一化。与第一组只依赖v（λ）滤波器的模拟不同，这次模拟准确地再现了光斑不同位置的光谱变化。

图9：仿真结果 

下一步实验中，光学系统增加聚光透镜进行扩展。模拟结果再次与测量结果进行了比较。图10为实际光学系统光斑不同位置的光谱测量情况。光谱形状以及对光谱的积分（亮度）在光斑上分布保持不变。只有在光分布的边缘（点1和点9），光谱才偏离其均匀分布。这种情况可以被模拟准确地再现，如图11所示。

图10:加聚光镜实际测试结果 

 图11：加聚光镜仿真结果 

现在，我们将使用的光源模型的数据用来计算色坐标和显色指数。在第一个例子中，仅用v（λ）滤波器进行的模拟不能重现光的分布情况，屏幕区域色温4800 K。在使用七个带通滤波器测试的第二组数据模拟例子，计算结果如下图12。 

 图12：模拟结果色温在2400 K和5900 K之间，Ra值在92到86之间 

由于在整个发光半球上采集了光线数据，并整合进了详细的光谱信息，模拟结果与实际测量情况符合一致。

结论：

使用新技术建立的光源模型在光学模拟中能真实表现光线在空间分布中的光谱和颜色情况。与使用蓝色/黄色或基于三刺激值滤波器相比，它显著地扩大了模拟中可呈现的细节，这种技术的优点是建立精确的光源模型，尤其是对于光谱会随着位置与角度变化较大的光源。

这种光源通常出现在白色LED封装或有多个不同颜色LED芯片组成的封装中，还有些情况，即使使用同类型的LED，它们的发射光谱也可能因制造过程中的变化而变化。针对所有情况，在应用中仍可以准确模拟出光分布的颜色坐标和显色指数。