实例介绍
【实例简介】
TracePro应用实例详解-压缩版（内容不变）
目录 绪论光学设计基础知识 1 第一章导光管设计实例 6 第二章背光源设计实例 12 第三章LED设计实例-..1.18 第四章手电筒设计实例 由南南由南虚由由面鱼出面量自音s面自自鱼自自西由自由由由由由面由垂型由面由昏音面垂香量看证自音西垂 45 第五章积分球设计实例, 54 第六章LED设计实例二… 第七章分光棱镜模拟实例……---77 第八章LED汽车前照灯设计实例 影中中中着,着看e, 第九章简易荧光灯模型设计实例 ……100 第十章投影仪设计实例…11111114 第十一章红外光气体检测系统设计实例 140 第十二章荧光粉模拟实例 150 第十三章LED色温模拟实例…--1160 第十四章消除杂散光模拟实例……167 第十五章二级复合抛物面聚光器设计实例 177 第十六章矩形路灯聚光器的优化设计 198 第十七章一种LED植物生长灯的设计与制作…207 第十八章简易筒灯的模拟与设计 216 绪论光学设计基础知识 在开始本书前,我们需要了解一些基础的光学知识。 一、光度学基本概念 光通量:单位时间内光辐射能量的大小。它表示光源的发光能力。光通量单位: 流明(lm),指lcd的均匀点光源在lsr内的光通量。 发光强度(光强);光通量的角(空间的)密度,即在一定方向上的单位立体角 内所发出的光通量。常用于说明光源和灯具发出的光通量在空间各方向或选定方向 上的分布密度。发光强度的单位:坎德拉cd,lcd=1mSr,是国际单位制的基本单位。 立体角:是任意一封闭的圆锥面内所包含的空间。单位是球面度(Sr),即以锥顶 为球心,以r为半径作一圆球,如果锥面在圆球上截得的面积A为r的平方,则该立体 角为一个单位立体角,而一个球体包含4π球面度。 1979年10月第10届国际计量大会透过的坎德拉定义为:一个光源发出频率为 540.0E1Hz的单色辐射(对应于空气中波长为550nm的单色辐射),若在一定方向上 的辐射强度为1/683Wsr,则光源在该方向上的发光强度为1cd 照度:单位面积(被照射面)上入射的光通量。照度单位;勒克斯(1x) 注:1kx的照度是比较小的,在此照度下仅能大致辨认周围物体。晴朗的盈月夜 晚,地面照度大约为0.2x;白天采光良好的室内照度为100-500x;晴天室外太阳散 射光下,地面的照度约为10001x;中午太阳光照射下,地面的照度可达100001x 光出射度:单位面积(发光面)上发射的光通量。其单位:辐射勒克斯(rlx)。 亮度(台湾又称辉度):在一个广光源上取一个单元面积dA,从与表面法线成角 的方向上去观察,在这个方向上的光强与所可见的光源面积之比,定义为光源在该 方向的亮度。单位:尼特(坎德拉每平方米,cdm2)。 注:太阳的亮度为1.6*10E9以上,碳极弧光灯(1.8-12)*10E8,钨丝灯 (2.0-20)*10E6,蜡烛(0.5-1.0)*10OE4,蓝天0.8*10E4 暗适应:由光亮处进入到黑暗处,开始一切都看不见,经过一段时间才能看见 物体轮廊。所需时间较长,一般几分钟以上。 明适应:有暗处进入到亮处时,开始也不能辨别物体,几秒到几十秒后才能看 清物体。在有明暗变化的视场内,应考虑照明的过渡。 后像:在高亮度的闪光之后,往往会感到有一连串的影像,以不规则的强度和 不断降低的频率正负交替出现,即后像。强烈的后像对视力工作有很大害处。应避 免。 眩光:视场中有极高的亮度或强烈的亮度对比时,会造成视觉下降和眼睛的不 舒适,这种现象称为眩光。前者为失能眩光,后者为不舒适眩光。不舒适眩光取决 于视场内的尺寸亮度数量位置以及背景亮度等原素。 注:一个明亮光源发出的光线,被一个有光泽或半光泽的表面射入观察者眼睛, 可能产生轻度分散注意力甚至不舒适的感觉。当这种反射发生在作业面上时,称为 “光幕反射”,如发生在作业面以外时,称为“反射眩光”。 颜色:眼睛能够辨别背景上的被观察对象(细节),必须满足以下两个条件之 对象与背景有不同的颜色(颜色对比),或者对象与背景在亮度上有一定的差别(亮 度对比)。 可见度(能见度,视度):表示被识别对象看清楚的程度。 反射,折射,透射,吸收: 1.据能量守衡定律,材料的反射系数+透射系数+吸收系数=1 铝(普通)的反射系数为60-73%,吸收系数为2740%。 铝(电解抛光)的反射系数为75-84%(光泽),62-70%(无光)。 铬反射系数为65%,吸收系数为35% 2.光的反射分类:定向反射( Specular reflection),散反射( Spread Reflection), 漫反射( )effuse Reflection),混合反射( Compound Reflection) 3.折射:水的临界折射角为48.5°,玻璃的临界折射角为30°到40°。玻璃的折 射率为1.5左右。 4.光的透射分类:定向透射,散透射( Spread Transmission),漫透射( Diffuse Transmission),混合透射( Mixed Transmission) 5.光在玻璃表面垂直入射时,入射光在入射面被反射4%,在透过面被反射3-4%, 被吸收2-8%,透过率为80-90% 6.材料的表面的光反射和光透射具有光谱选择性。 二、LED光学设计基础知识 为了使LED芯片发出的光能够更好地输出,得到最大程度的利用,并且在照明 区域内满足设计要求,需要对LED进行光学系统的设计。其中,在封装过程中的设 计被称为一次光学设计;而在LED之外进行的光学设计被称为二次光学设计 ①一次光学设计 LED芯片只是一块很小的固体,它的两个电极要在显微镜下才能看见,加入电 流后它才会发光。在制作工艺上,除了要对LED芯片的两个电极进行焊接,从而引 出正、负电极之外,同时还要对LED芯片和两个电极进行保护。因此,这就需要对 LED芯片进行封装。在封装的过程中,为了能够最高效率地输出可见光的功能,需 要进行光学设计,合适选择封装材料的形状、结构和材料,这种设计在业内被称为 一次配光设计 次配光设计主要是决定发光器件的出光度、光通量大小、光强大小、光强分 布等。而影响封装出光效率的高低、效果的好坏,主要是由芯片、支架和模粒三要 素来决定的。 ②二次光学设计 在使用LED发光器件时,整个系统的出光效果、光强、色温的分布状况也必须 进行设计,把器件发出的光线集中到期望的照明区域内,从而让整个LED照明系统 能够满足设计的需要,这被称为二次光学设计。二次光学设计必须在LED发光器件 次配光设计的基础上进行。一次配光设计是保证每个LED发光器件的出光质量, 考虑将LED芯片中发出的光能尽量多地取出。而二次配光设计是考虑怎样把LED 器件发出的光线集中到期望的照明区域上,从而让整个系统发出的光能满足设计需 要。从某种意义上来说,只有封装设计即一次配光设计)合理,才能保证系统的二次 配光设计顺利实现,从而提高照明和显示的效果。 基于LED的二次配光设计,对最终的照明器件和产品的性能起着至关重要的作 用。第一,部分光线未能达到有效的照明范围从而导致能量的损失,需要使用大数 值孔径的光学系统对光线进行汇聚,进一步提高光能利用率;第二,封装之后,像 面照度分布均匀性达不到改计要求,难以在每一点的照度值都大于要求的最低照度 值,这都需要对LED进行二次配光设计。 日前市场上常用的光学设计和分析程序主要有美国焦点软件公司开发的 ZEMAX、 Optical Research Associates的 CODE V和 Light Tools、 Breault Research Organization的ASAP以及 Lambda research的 TracePro等。 ZEMAX是美国焦点软件公司所发展出的光学设计软件,可做光学组件设计与照 明系统的照度分析,也可建立反射、折射、绕射等光学模型,并结合优化,公差等 分析功能,是套可以运算 Sequential及Non- Sequential的软件。 ZEMAX不仅功能强 大,而且具备直观性、软件灵活、优化快速、容易操作使用等优点,与其他软件不 同的是 ZEMAX的CAD转档程序都是双向的,如IGES、STEP、SAT等格式都可转 入及转出。当前有三种不同的版本: ZEMAX-SE(标准版); ZEMAX-XE(展版) ZEMAX-EE传专业版)。 ZEMAX在成像光学,特别是透镜设计方面应用十分广泛。 CODE V是应用非常广泛的光学设计和分析软件,是世界上分析功能最全、优 化功能最强的光学软件,为各国政府及军方研究部门、著名大学和各大光学公司广 泛采用,并广泛适用于照相设备、摄影机和医疗器具等,功能强大使用简单灵活。 其功能主要包括变焦结构优化和分析、环境热量分析、MIF和RMS波阵面基础公 差分析、用户自定义优化、干涉和光学校正准直、非连续建模、矢量衍射计算及偏 振、全球综合优化光学设计方法等。 ASAP是 Breault Research Organization研制的一套不受限制的、非序列光线追迹 软件。它具有对物理光学、成像系统和照明系统进行建模分析的强大功能,它的图 形工具允许用户进行截图分析,或者对几何模型、光线追迹、分析结果进行三维演 示。ASAP还可以分析散射、衍射、反射、折射、吸收、偏振、非序列光线追迹和高 斯光束传播。 Light Tools.是 Optical Research Associate制的一套全新的具有光学精度的交互 式三维实体建模软件体系,它提供最现代化的手段直接描述光学系统中的光源、透 镜、反射角、分束器、衍射光学元件、棱镜、机槭结构以及光路。由 Light Tools把 光学和机械元件集合在统一的体系下处理,并配置“放置”光源、发射光线的非序 列追迹强大功能,使它在系统初步设计、复杂系统设计规划、光机一体设计、杂光 分析、照明系统设计分析、单位各部门间学术交流和数据交換、课题论证或产品推 广等各环节中发挥重要的作用。 TracePro是美国 Lambda Research公司开发的一款基于蒙特卡罗法( Mante Carlo) 的非序列光线追迹(Non- Sequential Ray Tracing)软件,它是一套以符合工业标准的 ACIS固体建模引擎为核心所发展出来的光学机构仿真软件,是一套结合了真实固体 建模、强大光学分析功能、信息转换能力强及易上手的使用界面的仿真软件,它可 将真实立体模型与光学分析紧密结合起来。目前,国际上在照明系统分析、传统光 学分析、辐射度以及光度分析,在镜头杂散光分析、背光板、LED设计及应用、照 明灯具、车灯、投影显示器等众多领域中已经大量采用该软件进行计算机辅助设计。 本书主要采用该软件进行模拟设计(读者需对 TracePro软件的使用有一定了解,可 以参考《 TracePro7.0中文使用手册》)。 TracePro用于照明设计的一般流程如图1所示。 建立模型□>建立模型 建立光源 优化属性 结果不符合 定义属性 光线追迹 结果分析 图1模拟设计流程图 三、几个知名品牌的LED模型下载地址 下面是各个种类的LED模型下载地址,模型包括用在 Trace Pro里面的,也有 Light Tools,,也有 ZEMAX的,下载下来直接在相应的软件上调用就可以了,十分方 便。 1.mh:http://www.philipslumileds.com/resources/design/listing.cfm?catoptical 然后打开 Optical Design Resources点击LE链接 2.lim(Cree):http:/www.cree.com/products/ledlamps.asp. 然后打开 LED Components页面点击LED 3.欧司朗http://www.osram-os.com/ray-filcs 然后点击LED下载。 第一章导光管设计实例 在 TracePro中进行导光管设计,将使用到面平扫功能。主要步骤如下: 打开 Trace Pro软件 2.在下拉工具菜单 Insert选择实体模型 Insert/Primitive solids命令 3.在基本实体模型设置对话框中,选择 Cylinder/Cone设置栏 4.选中 Cylinder,在Bae下的 Major栏输入底面半径为2,在1op下的 Length 输入30。如图1.1所示。 ■ nsert Pr盈it Solids Block Cylinder/Cone Torus I Sphere Thin Sheet I Name: Obiect 1 C Cylind. C Cone 厂 Elliptical B T Maj Maj Minor a Length 30 Base Posi tion Base rotation x:0 Y:0 Y:o 2: in Degrees set,□li 图1.1 5.点击 Insert插入,再点击缩放工具图标二如图1.2所示。 ladel: [Untitled Surface 1 tity 4 Cyl/C 图 下一步将使用 Revolve对上面建立的导光管右端面进行旋转延伸操作: 1.选中导光管右端面,即 Object 1下的 Surface2 2.执行下拉菜单 Edit/Surface/ Revolve命令。 在 Revolve surface Selection对话框设置旋转角度为90度,半径为25mm。 4.在位置坐标栏输入(0-2530);(100)。具体见图1.3所示。 5.点击 Revolve surface插入旋转延伸。如图14所示。 Revolve Surface Selection DX Angle 90 planar suIfaces on副y Draft angle o in Degrees Radius25 0 Positicn on axis of revolution Axis cf Revolution Position X 0 Axis X 1 Positon丫 AxisY 0 Position Z30 Axis20 Get Position fiom last mouse click Calculate a Position using selected surface Revolve Surface 图1.3 Fuel: [Untitled1] 回x object I 中 ur tace 0 中 Surtace2 Entity 4 Model Source Radi anee 图1 最后将进行Swep面平扫,完成导光管的实体模型: 1.选中端面 Surface3,执行下拉菜单 Edit/Surface/Sweep命令。 2.在 Sweep Surface Selection对话框中,输入 Distance为l5mm,Draf为-2度。 【实例截图】
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ZEMAX-XE(展版) ZEMAX-EE传专业版)。 ZEMAX在成像光学,特别是透镜设计方面应用十分广泛。 CODE V是应用非常广泛的光学设计和分析软件,是世界上分析功能最全、优 化功能最强的光学软件,为各国政府及军方研究部门、著名大学和各大光学公司广 泛采用,并广泛适用于照相设备、摄影机和医疗器具等,功能强大使用简单灵活。 其功能主要包括变焦结构优化和分析、环境热量分析、MIF和RMS波阵面基础公 差分析、用户自定义优化、干涉和光学校正准直、非连续建模、矢量衍射计算及偏 振、全球综合优化光学设计方法等。 ASAP是 Breault Research Organization研制的一套不受限制的、非序列光线追迹 软件。它具有对物理光学、成像系统和照明系统进行建模分析的强大功能,它的图 形工具允许用户进行截图分析,或者对几何模型、光线追迹、分析结果进行三维演 示。ASAP还可以分析散射、衍射、反射、折射、吸收、偏振、非序列光线追迹和高 斯光束传播。 Light Tools.是 Optical Research Associate制的一套全新的具有光学精度的交互 式三维实体建模软件体系,它提供最现代化的手段直接描述光学系统中的光源、透 镜、反射角、分束器、衍射光学元件、棱镜、机槭结构以及光路。由 Light Tools把 光学和机械元件集合在统一的体系下处理,并配置“放置”光源、发射光线的非序 列追迹强大功能,使它在系统初步设计、复杂系统设计规划、光机一体设计、杂光 分析、照明系统设计分析、单位各部门间学术交流和数据交換、课题论证或产品推 广等各环节中发挥重要的作用。 TracePro是美国 Lambda Research公司开发的一款基于蒙特卡罗法( Mante Carlo) 的非序列光线追迹(Non- Sequential Ray Tracing)软件,它是一套以符合工业标准的 ACIS固体建模引擎为核心所发展出来的光学机构仿真软件,是一套结合了真实固体 建模、强大光学分析功能、信息转换能力强及易上手的使用界面的仿真软件,它可 将真实立体模型与光学分析紧密结合起来。目前,国际上在照明系统分析、传统光 学分析、辐射度以及光度分析,在镜头杂散光分析、背光板、LED设计及应用、照 明灯具、车灯、投影显示器等众多领域中已经大量采用该软件进行计算机辅助设计。 本书主要采用该软件进行模拟设计(读者需对 TracePro软件的使用有一定了解,可 以参考《 TracePro7.0中文使用手册》)。 TracePro用于照明设计的一般流程如图1所示。 建立模型□>建立模型 建立光源 优化属性 结果不符合 定义属性 光线追迹 结果分析 图1模拟设计流程图 三、几个知名品牌的LED模型下载地址 下面是各个种类的LED模型下载地址,模型包括用在 Trace Pro里面的,也有 Light Tools,,也有 ZEMAX的,下载下来直接在相应的软件上调用就可以了,十分方 便。 1.mh:http://www.philipslumileds.com/resources/design/listing.cfm?catoptical 然后打开 Optical Design Resources点击LE链接 2.lim(Cree):http:/www.cree.com/products/ledlamps.asp. 然后打开 LED Components页面点击LED 3.欧司朗http://www.osram-os.com/ray-filcs 然后点击LED下载。 第一章导光管设计实例 在 TracePro中进行导光管设计,将使用到面平扫功能。主要步骤如下: 打开 Trace Pro软件 2.在下拉工具菜单 Insert选择实体模型 Insert/Primitive solids命令 3.在基本实体模型设置对话框中,选择 Cylinder/Cone设置栏 4.选中 Cylinder,在Bae下的 Major栏输入底面半径为2,在1op下的 Length 输入30。如图1.1所示。 ■ nsert Pr盈it Solids Block Cylinder/Cone Torus I Sphere Thin Sheet I Name: Obiect 1 C Cylind. C Cone 厂 Elliptical B T Maj Maj Minor a Length 30 Base Posi tion Base rotation x:0 Y:0 Y:o 2: in Degrees set,□li 图1.1 5.点击 Insert插入,再点击缩放工具图标二如图1.2所示。 ladel: [Untitled Surface 1 tity 4 Cyl/C 图 下一步将使用 Revolve对上面建立的导光管右端面进行旋转延伸操作: 1.选中导光管右端面,即 Object 1下的 Surface2 2.执行下拉菜单 Edit/Surface/ Revolve命令。 在 Revolve surface Selection对话框设置旋转角度为90度,半径为25mm。 4.在位置坐标栏输入(0-2530);(100)。具体见图1.3所示。 5.点击 Revolve surface插入旋转延伸。如图14所示。 Revolve Surface Selection DX Angle 90 planar suIfaces on副y Draft angle o in Degrees Radius25 0 Positicn on axis of revolution Axis cf Revolution Position X 0 Axis X 1 Positon丫 AxisY 0 Position Z30 Axis20 Get Position fiom last mouse click Calculate a Position using selected surface Revolve Surface 图1.3 Fuel: [Untitled1] 回x object I 中 ur tace 0 中 Surtace2 Entity 4 Model Source Radi anee 图1 最后将进行Swep面平扫,完成导光管的实体模型: 1.选中端面 Surface3,执行下拉菜单 Edit/Surface/Sweep命令。 2.在 Sweep Surface Selection对话框中,输入 Distance为l5mm,Draf为-2度。 【实例截图】
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