Knut Bredemeier1 劉小波2， 諸家順2 陳鵬2
（1.德國，TechnoTeam Bildverarbeitung GmbH；2.光傲科技股份有限公司，上海 201101）
摘 要：隨著傳統的照明燈具逐漸被LED等固態照明技術所取代，以及應用領域的快速增長，對于光線數據的測試需求也在不斷增加。得到準確的光線數據對于照明產品的研發至關重要。使用光線追蹤算法的光學仿真模擬軟件是燈具開發的高效途徑。
目前最先進的光線數據測試方法是采用基于成像亮度計的近場分布式光度計，該系統也可以同時測量光強分布、光通量。并且符合IES LM-79-08, EN 13032-4以及CIE S 025的標準。從而可以逐漸取代傳統的遠場分布式光度計。
本文主要闡述了采用近場分布式光度計所測得的光線數據的應用，以及成像式亮度計在光學仿真，眩光分析，燈具表征分析等領域的應用。。
關鍵詞：光度學，固態照明，近場分布式光度計，光線文件，成像式亮度計，光學仿真，眩光
1、照明器件
1、照明器件
照明器件是一個籠統的稱呼，它包含了光源，光學組件以及整套系統的所有其它組成部分。對于照明系統而言，我們可以按用途來分成基本照明系統，信號燈系統，顯示系統三大類。
基本的照明系統例如家用燈具、泛光燈、車大燈等都需要確保光源所發出的光高效地分布在特定區域。而對于信號燈以及顯示系統而言（如尾燈、背光字符、顯示器件）主要目地則是得到良好的可視性，所以對于亮度的測試就會顯得更加重要。
2、亮度
大部分情況下亮度值就相當于我們人眼所捕捉到的光的明亮程度，因此亮度值是直接與我們的感官所相關聯的。隨著照明系統的發展，成像式亮度計也被應用于越來越多的場合。成像式亮度計既可以作為一個單獨的測量系統也可以作為近場分布式光度計的一個組成部分。
圖1：緊急指示燈及LED背光顯示字符的亮度分布
圖2：左圖 燈具亮度分布，用于眩光評價 右圖：LED 模組亮度分布（Zhaga測試）
3、光線數據以及光強分布在燈具研發中的應用
照明器件的開發周期越短，開發過程就越嚴格，需要盡可能避免反復的結構設計和驗證的工作。設計過程包含了復雜的幾何光學以及波動光學的計算，而且最終的結果都是需要真實的光學系統才能驗證的。如果有問題就需要重新設計再驗證。自上世紀九十年代以來，一種基于光線追蹤算法的高性能軟件已經被廣泛應用，可以更輕松地完成研發工作。它最初被設計用于研發車燈系統，但現在它已經被廣泛應用于各個照明領域。
圖3 一款車燈模型的仿真圖
為了實現準確的光學仿真設計，、我們不僅需要豐富的理論知識還應該了解所有光學部件所具有的光學特性，因為這涉及到了光源本身的輻射特性以及光的傳播特性。當我們建立一個簡單的光學模型，光源的強度分布我們可以用Iv(q,j)來表示，我們假設光源是一個點光源，那它在距離光源r米出的照度值就可以通過平方反比定理來得到，反之亦然。
但如果光源到光學組件的距離非常短，遠小于配光測試的距離。那就不能把這個光源視作點光源來處理。下圖展示了一個由LED光源與菲涅爾透鏡組成的照明系統。其中紅線表示了點光源的光線追跡路徑，綠線表示光源實際的光線路徑。
圖4 點光源與光源實際光線追跡差異
因此在實際設計中應考慮光源的空間輻射特性，光學仿真軟件可以根據光學系統結構以及材料特性進行光源建模。但它并不總是正確的，而且會花費大量的時間。因此最佳的選擇是通過測試得到光源的空間輻射特性，而不是通過軟件模擬。
在九十年代，近場分布式光度計就已經成為了測試光源輻射特性的主流設備。它使用一個成像式亮度計得到光源完整的亮度分布然后再輸出光線數據值 qv(x,y,q,j). 一組光線數據通常由大量的光線矢量（106-109）組成，它適用于所有的光學仿真軟件。下圖展示了一個橫向發光LED的光強分布及光線圖。
圖5 LED光強分布，光線圖
通過計算到達光學組件表面的光線的光通量，就可以得到光源在該光學組件上的照度值。
以上圖的LED為例，我們在距離它10mm處根據光強分布（配光）來計算出它的照度值，再通過它的光線數據來得到它的照度值。下圖展示了這兩種方法所計算出的照度分布情況。可以明顯看出由于測試距離過短而造成的結果差異。
圖6分別通過光強分布（左圖）以及光線數據（右圖）計算出的照度分布
分別對比水平與垂直方向的照度分布，偏差最大處可達10%。只有當測試距離在50mm時，LED內部結構所造成的偏差才可以基本忽略不計，此時可以用光強分布來計算照度值。
圖7 水平及垂直方向的照度分布差異圖（分別通過光強計算以及光線數據計算）
有些時候我們需要知道光源近距離處的照度值，這個時候用光線數據來計算是唯一準確的方法。
4、光線數據的測量
光學工程師可以使用格式正確、光線數量確定的光線文件來進行仿真，或者是由廠商提供的特定格式文件再通過格式轉換軟件來得到需要的光線文件。只有得到光源的光線數據才能更好地評估光源的特性以及應用的局限性。下面將進行更詳細的說明。
4.1 測試原理
光源的輻射特性可以用一個7D函數來表示
這個公式包含了虛擬觀察位置,Vx,Vy,Vz以及相對應的觀察方向q,j。也可以加入光譜特性?，以及時間函數t.我們可以通過減少參數來得到這個函數的測試值。我們可以假設測試是靜態的，那時間函數t是固定的，光譜特性l通常是指光的積分函數，例如用視覺函數V(l)來或者顏色通道（參見4.3節）來進行評價。然后我們就可以把這個7D函數簡化為一個5D函數，我們也稱它為光場[6]。
為了得到這個函數的值我們可以通過離散化得到一組光線值
目前市場上用來測試光線數據的近場分布式光度計基本都采用了這個原理，只是具體的實施方法由各自的廠家制定。本文我們主要簡單地描述一下TechnoTeam 的RiGO801近場分布式光度計。RiGO801有多種型號可以滿足不同大小燈具的測試需求。最小款的可以用來測大小約200mm的被測物，主要是LEDs/OLEDs。大一點的可以用來測各種類型的發光產品，最大可測2000mm的產品。
圖8分布式光度計RIGO801-LED（左）RIGO801-2000（右）
RiGO801采用成像式亮度相機LMK5，通過圍繞被測物做球形掃描，得到亮度圖片。通過空間校準文件，就可以知道空間中的光線在相機CCD芯片上對應的位置。
圖9 相機坐標系統
以此來定義光線的矢量，所以我們就可以通過亮度信息計算出每個像素的光通量信息。
圖10亮度圖像（左）及對應的光通量圖像（右）
TechnoTeam所采用的TTR文件是一個高效的文件儲存格式，它保存的并不是轉換好的光線數據而是圖片的光通量信息，可以輕易地根據像素網格進行壓縮。當我們需要把光通量圖片轉換成光線數據時，可以采用免費的Converter801轉換軟件。它可以幫助我們實現任意格式的數據轉換。
圖11 在TTR文中光通量圖像的排序
為了評估及使用光線數據，明確所采集的光線的坐標信息是十分重要的。因此在測試開始前通常會預先對被測物進行拍攝，明確被測物的坐標系。
圖12 被測物的坐標系統
4.2 光線強度的計算
發光強度的本質就是單位立體角內的光通量，
光線數據包含了各個方向的光通量，所以我們只要根據對應的立體角信息即可算出發光強度。因此我們可以采用近場分布式光度計來進行光強的測試。
4.3光譜數據
到目前為止，我們考慮了包含光通量信息的光線數據。但是一旦需要考慮到與波長相關的折射或者散射時，我們必須知道每一根光線的光譜信息，就是說每一根光線都需要包含光譜能量分布的信息。因此我們可以采取多通道分別測試的方法，比如采用不同的光譜濾光片。
以白光LED為例，我們可以在測試時分別使用藍色及黃色濾光片，然后測出LED在不同角度下藍光波段及黃光波段的能量值，最后依據光譜信息模擬出該光線數據的光譜能量分布情況。
圖13 分隔成藍光以及黃光兩個光譜波段
4.4文件格式
一般分布式光度計測試結果的文件格式都是由制造廠家制定的，但必須提供格式轉換軟件使得它能被轉換成仿真軟件所識別的格式，在IES TM-25被推出之前，很多仿真軟件都有自己的格式，比如ASAP?, SPEOS?, Light Tools?,Zemax?, TracePro?, …。但它們間的差異是比較小的。隨著光源光譜信息測試需求的增加，它們都顯示出了各自的局限性，所以TM-25格式就被大力推廣作為新的文件保存格式。
4.5測試不確定度，分辨率以及動態范圍
光線束是光場中的離散函數，由于測試的復雜性，到目前為止還沒有完整的方法來表征分布式光度計的不確定度，也沒有辦法來直接比對兩組光線數據。所以通常會對比測得的光源強度分布或者照度值，所以對于用戶而言，要明確哪些因素可能會導致測試結果的偏差。
4.5.1不確定度
光源具有出射點、方向、能量等幾個因素，都有可能造成測試誤差。出射點和方向的誤差體現在以下幾個因素：
※ 在各個方向相機的中心光軸與整個角度計中心的一致性。
※ 相機本身的精準度（通常被透鏡畸變，濾光片所影響）。
※ 相機位置的絕對精度（距離、角度）。
光通量的測試精度受一下兩個因素影響：
※ 立體角測試精度。
通過光線數據，我們就可以得到一些表征光源的基本特性。比如通過仿真模擬，光線數量足夠多的的話，我們可根據光線數據計算某一平面內光源的亮度分布情況，可以看到清晰的光源結構。如果結構模糊，通常意味著平面內光線的位置有偏差。此外，也可以在經過坐標中心的斷面上計算光強分布，在不同的方向上虞標準的光強分布進行對比。
4.5.2 分辨率
光線數據得到的是一組離散的矢量函數，一般來說信號的離散化必須滿足奈奎斯特-香濃定理（Nyquist-Shannon）。采樣頻率必須大于信號中最高頻率的2倍。不然就會產生混疊。所以為了避免混疊的發生，過高頻率的信號通常會被過濾掉（低通濾波）。對于光線數據而言采樣是多維的，所以相對而言會更復雜。當然濾波處理是必要的。由于相機拍攝的圖片以及相機的位置都是離散化的，所以考慮到像素以及角度很難去選擇合適的采樣間隔。不過在這之前，我們必須考慮到兩個標準，光源光強分布的梯度變化以及亮度圖像的光流（optical Flow）[16]。
理論上來說相機測試的角度步進必須要足夠小，所采集的數據才能完美地體現光源的強度分布。圖14展示了兩張LED的光強分布圖，它們的掃描間隔都是0.75°X0.75°。如果間隔更大，測試結果就會偏差很多。
圖14 有較大梯度的光強分布模型（帶透鏡的LED）
另一方面，很難去評估測試相機位置改變造成的亮度分布變化的情形，由于相機是在每一個不同的角度進行測試，所以每一張圖片的測試結果可能差距很大也可能差距很小，取決于被測物的特性。當兩張圖片差距很大時，有些近場分布式光度計會通過插值來處理。這往往會增加測試錯誤。
然而，即使對于朗伯光源來說，可能仍然需要較小的步進進行測試。如果認為朗伯光源光強梯度變化很小，可以用5°x 5°的掃描間隔，但是如果光源本身帶有透鏡，或者是多芯片結構呢？這些光源雖然在遠場光強分布上體現為近似朗伯光源，但是其近場特性仍然是很復雜的。要體現出這些光源的近場特性，使用較小的步進進行測試是十分重要的。
4.5.3光源的定位及個體差異
近場分布式光度計的測試是在一個固定的坐標系統里進行測試，在測試之前，需要將樣品固定在這個坐標系統中，通過相機圖像輔助，可以將樣品與分布式光度計的坐標中心對應起來。如圖12所示。可以用LED的芯片位置或者透鏡位置等包含明確特征的點來作為參考點進行對準。對于中心定位及傾斜的不確定度主要受以下幾個因素的影響：
※ 選擇一個合適的照度值（通過輔助照明）
※ 樣品透鏡的清晰度
另一方面就是要考慮被測物的個體差異，也就是生產過程中的公差，就LED而言，它的實際芯片位置與透鏡的距離是與出規格書有一定偏差的。所以選擇一個Gold Sample也是很重要的。
4.6 光源的外形及光線原點
分布式光度計的相機所得到的只是光源在不同方向的信息，也就是說光線的實際起始位置是未知的，但為了進行仿真，我們必須知道光線的起始位置，所以通常會使用光線軌跡追蹤的方法反向追蹤至一個虛擬的表面。這個表面可以是一個簡單的幾何形狀（圓形，方形，圓柱形）也可以是復雜的3D-CAD模型。
使用光線軌跡追蹤方法時，我們首先需要建立一個包含所有出射光線的虛擬表面，由于在給被測物建立坐標系時產生的誤差以及在測試光線數據時的不確定度。應該要選擇一塊盡量大一點的區域，確保每一束發射光都與表面相交。尤其當被測物是復雜的3D模組時要更加謹慎。
圖15 通過光線數據追蹤到發光的起始點
現在我們可以把光線的起始點在虛擬表面上標記出來，它們距離光源都有一個“安全距離”。如果在測試時除了被測光源還有其它光源，那這個虛擬表面的建立就會出差錯。對于RIGO801來說，它在追溯光線的時候還會判斷光線與虛擬表面是否有相交點，如果沒有就判斷為雜散光，不加入計算。
舉個例子，某知名LED制造商的一個四芯片LED產品，其規格書的描述信息如圖16，可以看到其給出的光學中心位置，但對于光線的原點分布卻沒有任何信息。
圖16 坐標中心點的位置
為了分析這個LED的光線原點分布，我們將光線的光通量投射到兩個平面，一個是正上方，一個是側面。圖17就是這兩個平面上的光通投射分布圖像。從側面光通分布圖中可以看到光線的起始點分布比LED平面高了0.8mm,在做光學仿真的時候，有些情況下，必須把這種情況考慮進去。
圖17 頂部視圖（左）和側面視圖（右）情況下的光線投射光通分布，單位毫米
4.7 光源的輻射范圍
如果沒有光線數據的額外信息，我們無法判斷哪些角度的光線被完全收集了，或者說我們是否采集了整個光源所有的光線。許多LED也會在+/-90°外輻射光線，所以我們必須在測試前考慮怎么去放置它，給它一個合適的測試位置。對于這類LED，我們可以通過模擬來明確發光的位置。
有些例子表明LED基板因具有反射特性也會被當作和LED光源的一部分。所以當我們測試的時候也要把基板考慮到測試中去。對于這類的測試，相機的視場必須足夠大。保證能夠覆蓋整個LED的輻射范圍。當選擇虛擬表面的時候，必須把板子也考慮成光源的一部分。另一種可行的方法是選擇一個較小的幾何形狀來把它們分開評估。
圖18 LED放置于PCB版上時的亮度分布
如圖所示，PCB板的亮度部分清晰可見，為了分析這部分的光線數據，我們可以先選擇分析一個只包含LED的區域，然后再分析PCB板上的光學參數。圖中PCB板的亮度占了總光通量的1.3%。
5、光強分布的測試
在研發照明產品的時候，光強分布測試對于產品的最終定型是必不可少，下面我們介紹一下目前使用較廣泛的光強分布測試系統。
5.1遠場分布式光度計
遠場分布式光度計的光強測試方法是基于平方反比定理測照度值，再轉換成光強值。
這種測試假定光源是點光源的情況下成立。如果光源過大，測試結果就會有誤差。誤差大小和光源本身大小，結構以及測試距離有關。各種不同類型的光源都有各自的測試標準及規范。照明燈具的測試距離通常是10米-30米。
用這種方法來測試光強分布，光度計必須能在很遠的距離在每一個角度測得一個照度值，通常有以下幾個可選擇的方案。
- 被測物進行自轉，探測器靜止，獲得不同角度光強
- 轉鏡式分布式光度計，被測物只在垂直軸方向轉動
- 探測器圍繞被測物運動（測試距離較短情況下）
5.2 近場分布式光度計
相較于測照度的遠場分布式光度計，近場分布式光度計通過對光源亮度的測試來得到強度值。CIE70-1987 [19] 中提到了這個標準。基于這項技術的發展，TechnoTeam在1991年獲得了相關專利，即基于成像相機的亮度積分技術的分布式光度計專利。測試原理就是基于光線數據和光線強度值的轉換，同時獲得了美國專利。
相較于遠場，近場分布式光度計有以下幾個優點：
※ 不需要考慮遠場條件
※ 光強分布于光源是否在光學中心無關
※ 對環境的雜散光不敏感
※ 光線數據可以適用于仿真模擬
※ 亮度圖可以用于更復雜的分析工作（例如眩光分析）
5.3通過墻壁間接測量
類似車燈及相關產品的測試，通過墻壁的間接測試方法已經被廣泛運用。我們把被測物放置于離墻足夠遠的地方，通過相機拍攝光源打在墻上的亮度值，因為墻上各個點的反射率是已知的，所以最后可以通過計算得知被測光源的光強分布情況。它相較于遠場的優點就是測試速度非常快，這一點在測試復雜的車燈時就顯得非常重要。TechnoTeam對于這類測試有著豐富的經驗，并且也可以提供和遠場相結合的測試方案。
圖19 針對車燈測試的測試暗室
5.4 結合IES LM-79-08 and CIE S 025
對于固態照明的測試，目前需要遵循的標準是IES LM-79-08和CIES 025 ，這些標準中提到了分布式光度計所需要滿足的要求，但這還是不能滿足所有的測試需求，或者說還需要額外的花費來滿足測試。LM-79-08 標準中明確表明需要使用C型分布式光度計，這里的C型指的就是那些保持被測物位置不變，通過轉動探測器來完成測試的光度計。雖然CIE S 025允許其它類型的分布式光度計但前提是必須保證光源的運動對于測試的結果的影響是較小的。
RIGO801同時滿足這兩個標準，它是典型的探測器圍繞光源測試的C型分布式光度計，通過對于亮度的測試計算強度值符合CIE的測試標準。(CIE S 025, LM-79-09 → LM-46-04 / LM-41-98 / LM-20-94 / LM-75-01 → CIE121-1996 → CIE 70.1987).
6、眩光的評價
眩光的評價是十分復雜的，它受人體的心里和生理影響，在某些條件下可以被統計計算得出。
對于眩光的評價，主要就是基于光線進入眼睛的量的大小，即眼睛處的照度值。這個取決于光源的亮度值以及觀看它的角度。當然只有這些還是不夠的，光源亮度的具體分布也是十分重要的，所以在1995年定義了一個統一眩光值UGR的計算公式[25]。
通過這個公式，我們只要知道光源的亮度值，背景的亮度值以及它們的亮度分布情況就可以計算出眩光值。但這卻不適用于小的光源或者結構復雜的光源，因為如果光源的亮度高，體積小，則公式中亮度的平方在計算后會產生較大的偏差，尤其像固態照明這類的產品。
這就意味著空間中光源的亮度分布對于眩光值的評價有著重要意義，CIE147對固態照明的眩光值測試有進一步的定義[27]，通過對亮度圖像的分析可以更準確地評估眩光值，當然隨著標準的逐步統一，也會有更多的文獻來專門探討這個話題[28] [29]。
參考文獻
[1] S. Wendel, Freiform-Optiken im Nahfeld von LEDs, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), KIT Scientific Publishing, 2014.
[2] R. Poschmann, M. Riemann and F. Schmidt, "Verfahren und Anordnung zur Messung der Lichtst?rkeverteilung von Leuchten und Lampen". DE Patent 41 10 574, 30 March 1991.
[3] I. Ashdown, "Near-Field Photometric Method and Apparatus". USA Patent 5,253,036, 12 October 1993.
[4] V. Jacobs, R. R. W. Van Gaever, M. Diltour, J. Audenaert, B. Van Giel, P. Hanselaer and P. Rombauts, " Simulating surgical luminaires by ray files," Proceedings of the 5th International Conference on Optical Measurement Techniques, pp. 175-183, 2012.
[5] M. Landy and J. A. Movshon, "The Plenoptic Function and the Elements of Early Vision," Computational Models of Visual Processing, Cambridge, MA: MIT Press, pp. 3-20, 1991.
[6] Wikipedia, "Light field," [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Light_field.
[7] TechnoTeam Bildverarbeitung GmbH, "Goniophotometer," [Online]. Available: http://www.technoteam.de/product_overview/goniophotometer/index_eng.html.
[8] TechnoTeam Bildverarbeitung GmbH, "Imaging luminance and color measuring devices," [Online]. Available: http://www.technoteam.de/product_overview/lmk/index_eng.html.
[9] TechnoTeam Bildverarbeitung GmbH, "Converter801 - Generating ray files," [Online]. Available: http://www.technoteam.de/product_overview/ goniophotometer/software/converter_801/index_eng.html.
[10] V. Jacobs, J. Audenaert, J. Bleumers, G. Durinck, P. Rombauts and P. Hanselaer, "Rayfiles including spectral and colorimetric information," Optics Express, pp. 2240-2251, vol.23 (3) 2015.
[11] I. Rotscholl, K. Trampert, U. Krüger, M. Perner, F. Schmidt and C. Neumann, "Determination of tailored filter sets to create rayfiles including spatial and angular resolved spectral information," Optics Express, November 2015.
[12] IES TM-25-13 , "Ray File Format for the Description of the Emission Property of Light Sources," Illuminating Engineering Society, 2013.
[13] F. Ga?mann, U. Krüger and T. S. F. Bergen, "Comparison of luminous intensity distributions," Lighting Research & Technology, vol. 49, pp. 62-83, 2015.
[14] Wikipedia, "Nyquist–Shannon sampling theorem," [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Nyquist%E2%80%93Shannon_sampling_theorem.
[15] Wikipedia, "Multidimensional sampling," [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Multidimensional_sampling.
[16] Wikipedia, "Optical flow," [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_flow.
[17] V. Jacobs, P. Blattner, Y. Ohno, A. Bergen, U. Krüger, P. Hanselaer, P. Rombauts and F. Schmidt, "ANALYSES OF ERRORS ASSOCIATED WITH PHOTOMETRIC DISTANCE IN GONIOPHOTOMETRY," Proc., the 28the Session of CIE, pp. 458 - 468, June 29-July 3, 2015.
[18] CIE S 025:2015, "Test Method for LED Lamps, LED Luminaires and LED Modules," CIE, 2015
[19] CIE 070-1987, "The Measurement of Absolute Luminous Intensity Distributions," CIE, 1987.
[20] C. Schwanengel, F. Schmidt, T. Reiners and C. Diem, "Das Beste aus zwei Welten – Kombination von Goniophotometrie und digitaler Bildverarbeitung - The best of two worlds – Combining goniophotometry and digital image processing," Proceedings LICHT 2016, Karlsruhe, 25. – 28. September, 2016.
[21] IES LM-79-08, "Approved Method: Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Products," Illuminating Engineering Society, 2008.
[22] EN 13032-4:2015-08, " Light and lighting - Measurement and presentation of photometric data of lamps and luminaires - Part 4: LED lamps, modules and luminaires," 2015.
[23] IES LM-75-01, "Goniophotometer Types and Photometric Coordinates," 2001.
[24] CIE 84:1989, "The measurement of luminous flux," 1989.
[25] Technical Report CIE 117, "Discomfort Glare in Interior Lighting," CIE, Vienna, 1995.
[26] M. Luckiesh and S. K. Guth, "Brightness in the visual field and the border of comfort and discomfort (BCD)," Illuminating Engineering, no. 44, pp. 650-670, 1949.
[27] CIE 147, "Glare from Small, Large and Complex Sources," CIE, Vienna, 2002.
[28] C. Funke and C. Schierz, "EXTENSION OF THE UNIFIED GLARE RATING FORMULA FOR NON-UNIFORM LED LUMINAIRES," Lux junior, 2015.
[29] T. Porsch, F. Schmidt, C. Funke and C. Schierz, "Ist eine objektive Beschreibung der St?rempfindung bei künstlicher Beleuchtung m?glich?," LICHT, no. 7/8 2015, pp. 70-74.
[30] CIE 121-1996, "THE PHOTOMETRY AND GonIOPHOTOMETRY OF LUMINAIRES," CIE, 1996.
