本應(yīng)用說明介紹了兩種模擬LED的方法，強(qiáng)調(diào)了一些有用的分析工具。
FRED用于LED建模
CAD導(dǎo)入
FRED可以導(dǎo)入IGES和STEP格式CAD模型，允許光學(xué)和機(jī)械元件的快速集成。
一些LED廠商網(wǎng)上提供CAD文件，如Cree，OSRAM，Philips Lumileds，Bridgelux。
光線文件導(dǎo)入
可以將光線文件可以動(dòng)態(tài)地加載到FRED的光源定義中。
一些LED廠商網(wǎng)上提供光線文件，如Cree，OSRAM，Philips Lumileds，Bridgelux。
數(shù)字化工具
數(shù)據(jù)表產(chǎn)生的數(shù)據(jù)圖光譜（曲線）圖可以被數(shù)字化，并用于生成光源波長(zhǎng)。
數(shù)據(jù)表產(chǎn)生的角分布曲線可以被數(shù)字化，并用于光源能量切趾。•
2-D機(jī)械圖紙可以被數(shù)字化，并用于生成精確的幾何形狀。
極坐標(biāo)計(jì)算下的強(qiáng)度
可以計(jì)算出角分布，從而與廠商的規(guī)格對(duì)比進(jìn)行模型驗(yàn)證。
彩色圖像
可以計(jì)算和渲染精確的彩色圖像，不僅提供比色法色度計(jì)算的數(shù)據(jù)（例如RGB值和色度坐標(biāo)），也提供彩色圖像分布的視覺效果情景圖。
可視化視圖
任何圖像或渲染可以顯示在三維視圖中，可以快速驗(yàn)證模型的設(shè)置，或者用于系統(tǒng)的可視化演示中。
FRED中的實(shí)際案例：創(chuàng)建LED模型
越來越多的LED廠商提供在其網(wǎng)站上的提供了CAD模型和光線文件（Cree,，OSRAM，Philips Lumileds和Bridgelux ）。第一種方法描述了使用CAD幾何體和光線文件導(dǎo)入和創(chuàng)建LED模型。第二種方法描述僅使用數(shù)據(jù)表說明來建LED模型。整個(gè)例子使用的是Philips Lumiled公司的Amber LUXEON Rebel Color，零件編號(hào)LXML-PL01-0030。
方法1：CAD幾何體和光線文件
1、導(dǎo)入CAD幾何體
FRED的CAD導(dǎo)入功能可以很方便地導(dǎo)入任何STEP或IGES格式的文件。在CAD導(dǎo)入對(duì)話框包含的選項(xiàng)如給曲面和曲線隨機(jī)分配顏色，創(chuàng)造和獨(dú)立繪制曲線，將模型以陰影曲面或線框的形式顯示，并分配默認(rèn)的光線追跡控制集。圖1顯示導(dǎo)入的線框形式的LUXEON Rebel LED的CAD幾何體。注意，CAD幾何體設(shè)置為“不可追跡”，這意味著它不能在光線追跡中使用。它作為一個(gè)參考物，使得LED模型相對(duì)于系統(tǒng)中的其它元素處于正確的位置。
圖1.LUXEON Rebel LED的CAD模型導(dǎo)入到FRED，顯示在線框中。
2、導(dǎo)入光線文件
可以將光線文件直接加載到Detailed Source的“Positions/Directions（位置/方向）”標(biāo)簽中，如2圖所示。在FRED中支持的光線文件格式有：FRED緊湊型光線集（* .fcr）；ASAP分布文件（*.dis）；ProSource二進(jìn)制格式支持從Zemax、OPTICAD和TracePro中導(dǎo)出的文件；支持LightTools和TracePro的ASCII /Text格式；LucidShape二進(jìn)制文件。FRED允許用戶決定是使用光線文件中的所有光線或是用戶指定的子集。顯然，所使用的光線越多，該模型越準(zhǔn)確。然而，必須找到速度和光線數(shù)目之間的平衡點(diǎn)。通常在使用大量光線進(jìn)行全部的光線追跡之前先使用一個(gè)較小的子集進(jìn)行測(cè)試。
圖2.Detailed optical source（詳細(xì)光源）對(duì)話框顯示導(dǎo)入光線文件的選項(xiàng)。
3、設(shè)置正確的功率和單位
取決于導(dǎo)入的光線文件的格式，F(xiàn)RED可以讀取并為L(zhǎng)ED光源分配一個(gè)功率值，在彈出的窗口中顯示功率的設(shè)置�？梢圆樵僉ED數(shù)據(jù)表來驗(yàn)證該值，因?yàn)閺S商通常會(huì)針對(duì)不同功率的LED提供單個(gè)光線文件。如果光線文件中沒有指明功率大小，則默認(rèn)值為1�？梢栽贒etailed Source（詳細(xì)光源）的Power（功率）標(biāo)簽中輸入光源功率。FRED定義功率的單位有瓦特、流明或任意單位。圖3顯示了LED模型，白色繪制的是新定義的光源光線。
圖3.從光線文件中導(dǎo)入光線的LED模型
4、數(shù)字化光譜
FRED有一個(gè)易于使用的數(shù)字化工具，它可以從一張BMP或JPEG格式的圖中提取光譜數(shù)據(jù)點(diǎn)，如圖4所示。數(shù)字化的光譜可以被分配給光源。每個(gè)FRED文檔都有專門用于創(chuàng)建、管理、和繪制光譜的文件夾。光譜可指定為高斯，黑體或采樣。采樣的光譜類型是數(shù)字化光譜的一個(gè)合適選擇。
圖4.基于數(shù)據(jù)表中光譜能量分布曲線的Amber LUXEON LED光譜的數(shù)字化。
5、模型驗(yàn)證
FRED極坐標(biāo)網(wǎng)格計(jì)算的強(qiáng)度與數(shù)據(jù)表提供的角分布結(jié)果對(duì)比，可用于驗(yàn)證LED模型。FRED中Directional Analysis Entity（直接分析實(shí)體）可以用來分析。該DAE是專為光線過濾、計(jì)算和在球形極坐標(biāo)網(wǎng)格上顯示光強(qiáng)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的。圖5顯示了Lumileds LUXEON Rebel的角分布圖（左）與相應(yīng)的FRED模型分布（右）良好的一致性。
圖5.LUXEON Rebel LED的角分布圖，（左）廠商提供的圖，（右）FRED仿真的圖。
方法2：僅僅使用數(shù)據(jù)表
1、創(chuàng)建光源
創(chuàng)建一個(gè)新的Detailed Source，將光線位置設(shè)置為“Random Pane（任意平面）（一個(gè)平面上隨機(jī)排列的點(diǎn)）”，以避免光線結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。輸入所需的光線數(shù)目并使用Isotropic（各向同性）角分布將光線方向指定為“一定角度范圍內(nèi)隨機(jī)進(jìn)入”。角度分布圖將被用于定義光線的方向（步驟4）；將分布設(shè)置為Isotropic設(shè)置確保了不存在二次內(nèi)部切趾。角分布圖代表了遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向模型，所以應(yīng)使用小的光線網(wǎng)格（在遠(yuǎn)場(chǎng)中發(fā)射器近似為一個(gè)點(diǎn)光源）。
2、設(shè)置正確的功率和數(shù)字化光譜
按照上述方法1中所述步驟3和步驟4操作。
3、數(shù)字化的角分布作為功率切趾
就像可以為光源分配數(shù)字化光譜一樣，也可以為定向功率切趾分配數(shù)字化角分布來模擬LED的角度擴(kuò)散。線性和極坐標(biāo)圖都可以被數(shù)字化。圖6示出的一個(gè)極坐標(biāo)切趾圖的數(shù)字化。簡(jiǎn)單的LED燈模型是通過這一步完成的。
圖6.基于極坐標(biāo)圖的Amber LUXEON Rebel LED的角分布的數(shù)字化圖像
這兩種方法的比較
通過計(jì)算距LED模型多個(gè)距離平面上的照度分布，來比較上述的兩種方法，如圖7所示。兩個(gè)模型用5000000條光線進(jìn)行了仿真，分布看起來非常相似，主要區(qū)別在于光線文件模型具有較低的輻照度。模型使用不同光線集時(shí)變化較小。注意，即使距離光源2mm，屬于近場(chǎng)區(qū)域范圍，輻照分布也非常相似。
圖7.距離光源2、4、8、16毫米時(shí)的照度分布。在模擬仿真中使用了5M條光線。處于每個(gè)距離的兩幅圖像有相同的規(guī)格。
專注于FRED的一個(gè)工具：彩色圖像
FRED有一個(gè)分析工具，Color Image，用于彩色可視化和色度計(jì)算。例如，可以組合不同權(quán)重的多個(gè)波長(zhǎng)，并合成相應(yīng)的顏色。圖8顯示出了四個(gè)不同顏色的LED燈透過準(zhǔn)直透鏡并照射屏幕上。渲染的彩色圖像顯示在3D視圖在屏幕上。使用FRED的可視化視圖功能可以將任何分析圖顯示在3D視圖中。圖9顯示了完整的彩色圖像計(jì)算結(jié)果窗口。
圖8.四個(gè)單波長(zhǎng)的LED穿過準(zhǔn)直透鏡并在屏幕上重合。混合四個(gè)LED得到的彩色圖像由彩色圖像由彩色圖像分析功能進(jìn)行渲染，并通過可視化視圖功能顯示在3D視圖中。
圖9.彩色圖像分析結(jié)果窗口顯示4個(gè)窗格（左上至右下）：RGB值渲染的彩色圖像；X灰度橫截面；Y灰度橫截面；色度圖與色度坐標(biāo)。
顯示在圖9中的彩色渲染具有定義的結(jié)構(gòu)。這些LED是立方模型發(fā)射器，中間是一個(gè)圓形的鍵合焊盤。這是幾個(gè)關(guān)鍵內(nèi)部結(jié)構(gòu)的建模的一個(gè)例子，表示了近場(chǎng)模式的相關(guān)方面。準(zhǔn)直透鏡置于發(fā)射器的前焦點(diǎn)，準(zhǔn)直透鏡不僅提供了良好的準(zhǔn)直效果，而且將發(fā)射器的結(jié)構(gòu)成像到遠(yuǎn)場(chǎng)中去，如在屏幕上看到的。如果達(dá)到的效果是不理想，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的情況，有兩種解決辦法：移動(dòng)透鏡或使用非成像光學(xué)器件。將透鏡移動(dòng)到離LED更遠(yuǎn)的地方，改變發(fā)射器的焦點(diǎn)，結(jié)構(gòu)消失了，如圖10所示。光束更加發(fā)散，但只是只發(fā)生了微小的改變。非成像光學(xué)器件，例如一個(gè)收集器或反射器，也可用于引導(dǎo)光線，而無需創(chuàng)建不需要的結(jié)構(gòu)。
圖10.將透鏡稍微遠(yuǎn)離LED時(shí)的顏色渲染，可以消除圖8中顯示的發(fā)射器的結(jié)構(gòu)看出
|
