准直TIR透镜Tracepro实例

准直TIR透镜的TracePro模拟过程说明：本例只讲解我用TP的模拟过程，不是TP的使用手册之类，讲解有误或不清楚的地方请见谅。本例不讲解透镜的设计方法，请不要追问如何设计透镜。最后提一个要求：不喜勿喷。作者：虫洞里的猫准直TIR透镜，是指在原点的点光源经过透镜后光线能平行出射的透镜，但由于LED的发光面都是面光源，因此LED经过此透镜后不可能是平行光出射，但其出光角度会是最小值。本实例以已设计好的准直TIR透镜为例，逐步演示TracePro的模拟过程。1.插入3D文件TracePro可以打开多种3D格式的文件，最方便的是直接插入零件，但此过程只能使用.SAT格式的文件，如下图的过程。如果你的3D文件是其它格式，如STEP等，则可以用TracePro直接打开，具体过程为：文件-打开，在打开的对话框的下拉菜单中选择合适的格式。2.设置光源2.1设置档案光源2.1.1方法一设置光源可以有很多方式，但最直接也最准确的是使用光源文件，在TracePro中也称为档案光源，TracePro可用的档案光源主要有.DAT或.RAY格式的。此文件可以从LED厂家的官网上下载，本实例使用的LED为CREE公司的XLampXP-E。如下图，XP-ECoolWhiteOpticalSourceModel-TracePro(zip)(42MB)是适合TracePro使用的光源文件，其网站地址为：。在下载好光源文件后，可直接导入。具体步骤为：定义-光源文件设定，如下图。在弹出的档案光源对话框中，点击光源档案后面的查选图标，将弹出新的选择对话框，按刚才光源文件存储的位置找到光源文件。CREE官网下载的光源文件通常会有大小不同的两个，这其中的主要区别是文件里的光线数量不同,通常选择50W条光线的光源文件已经足够了。选择光源文件后，点击打开文件将会被导入，这个过程需要的时间由文件大小与电脑的性能决定。导入光源文件后可以调整光源的数据：调节总的光线条数：；调节光通量大小：；调节光源的位置与方向：；此处添加波长：2.1.2方法二点击TP界面左端的项目框（我也不知道这个地方怎么命名）最下面的光源，然后右击档案光源，再从定义里面点击档案光源，后面的操作与方法一是一致的。2.2设置表面光源对于一些小厂的LED，通常没有光学文件，此时可能需要用表面光源代替.光源的属性设置对于模拟的准确性至关重要，因此最好能使用光源文件，在没有光学文件的情况下需要准确的设置表面光源。表面光源的发光面，通常以芯片的发光面积来设置表面光源的发光面，光型选择朗伯型。或者，可以测试出裸光源的配光曲线，再用表面光源生成器生成比较准确的表面光源导入到TP。对于一些贴片LED,表面光源的发光面积比较麻烦，因为比较难确定有效的发光面积。表面光源是在TP里建一个表面，可以是一个薄片，也可以一个物体的一个表面。此实例不再详细这个，因为这是TP的基本操作。3.设置属性TracePro是一款光学模拟软件，因此需要按实际情况赋予模拟文件中各物体的属性，但只需要相关的光学属性，一些对模拟没有影响的属性则不必设置。在本实例中，整个光学系统比较简单。只需设计透镜的材质为PMMA。右击透镜后选择属性，在打开的应用特性对话框中点击材料，然后目录栏选择Plastic，名称栏选择PMMA，点击确定后即可。4.光线追迹设置好材料属性及光源后，就可以模拟了，或者说可以光线追迹了。模拟主要要得到配光曲线与光斑，光斑则需要一个目标面的，这个面可以是薄片，也可以是某一物体的一个表面，这个面是不需要设置属性的。当然，你也可以将这个面设置成完全吸收，但在查看光斑时则需要选择相对应的项。我个人比较喜欢用薄板作为目标面。插入-几何物体，打开对话框，点击薄板，输入薄板的四个顶点的坐标，再点击插入。薄板的位置与大小视具体情况而定。设置好目标面后，就可以模拟了。在光线追迹的下拉菜单中点击开始光线追迹，就开始跑光了，这个过程需要的时间由光线数量，透镜系统的复杂性，电脑性能等决定。通常，最开始模拟的时候为了节约时间不需要太多的光线数量，在设计的结果基本符合要求的情况下可以加大模拟的光线数量，但也不需太多，50W条光线就足够了。追迹完成后，刚才的光线追迹进度框会自动消失，软件的界面会显示出光线。此时的光线数量比较多，整个软件的界面都被光线的颜色布满，这个时候可以设置只显示部分光线。点击分析-光线筛选，在弹出光线筛选对话框中，在Display后面输入0.1（数值合适就可以了），然后点击Update。5.分析模拟结果5.1查看光斑光线追迹完成后，就可以查看光斑了，但前提是模拟是正确的。比如目标面放置错误，可能会看不到光斑。光斑图，在TP里称为辐照度/光照度分析图，查看光斑也需要正确设置分析图的基本属性。设置不当，也同样无法正确查看，如下图。这个时候我们可以右击分析图中的任何位置，点击辐射度/光照度分析图选项，打开对应的对话框。从辐射度/光照度分析图选项可看出，描绘光线默认为吸收，但之前的目标面的属性没有设置成吸收，因此此处选择入射。设置好描绘光线后，也不一定能正确显示光斑，因为绘图平面方位可能设定有误。此时可以勾选自动设定法线与指上向量。此时，分析图中应该能显示光斑了，但可能看上去会有点奇怪，不像一个光斑。这是因为分显示选项我们没有正确选择，勾选平滑化后，此时我们可以看到正确的光斑了。选项中的其它选项，大家可以自己尝试看看有何变化，并体会这其中的关系。5.2查看配光曲线5.2.1查看极坐标配光曲线现在我们来查看模拟的另一个重要结果——配光曲线。先来看极坐标下的配光曲线，点击分析-CandelaPlots-PolarIso-Candela，打开极坐标配光曲线。但发现打开的图，什么都看不到，这是因为Candela选项的设置可能有误。右击图中的任意位置，打开坎德拉图选项。Candela选项一共分4个子项目，一个全空间的配光曲线图应该是一个圆，但我们刚打开的图，只有四分之一个圆，因此应该是Candela分布有误。点击Candela分布，按下图设置。关于平滑度的设置，是大家比较关心的一个问题，从经验来看60-90是比较合适的，角度偏大平滑度可适当偏小。此外，平滑度还应该与模拟的光线数量有一定的关系。按上图设置后，会发现配光曲线出现了，但与我们通常看到的有点差异，通常所看到的配光曲线都向下，这显然与方向有关系。模拟的透镜的法向方向是Y的正轴，因此方向按下图设置就可以了，下图的右侧有关于法向与指上的定义。此外，关于“光线选择”大家或许也有疑问，实际上按字面意思理解就可以了。但关于这个“遗失”我解释一下，它是指跑到了我们模拟的光学系统之外的光线，什么意思呢？如果模拟的光学系统里有设置完全吸收面，哪光线射到这个面时会终止，此外任何光学系统对光都会有一个吸收。这里的“遗失”是指除去被吸收之外的，可以照射到无穷远的地方去的光线。这也是我不喜欢将目标面设置成完全吸收的原因，因为这个时候不能得到完整的配光曲线。（这部分只针对TP6.0版本）5.2.2查看矩坐标配光曲线上面我们得到了极坐标下的配光曲线，由于TP不是自动读出配光曲线的角度，且在小角度的情况下用极坐标比较难读出配光曲线的角度。这个时候我们可以用另一个比较常用的配光曲线，矩坐标的配光曲线。点击分析-CandelaPlots-RectangularIso-Candela，打开矩坐标的配光曲线。矩坐标下，可以设置矩形分布图的的角度间距，上图得得是默认间距下的图，也比较难读出角度。可以按下图将角度间距设置成10度，配光曲线变化如下。通常在没有说明的情况下，灯具或光源的发光角度按半光强夹定义。得到的配光曲线，中心最大光强为2896（cd），半光强为1448（cd），对应角度的夹角大约为9度。6.导出模拟结果模拟结果的导出，通常包括得到的图片另存下来，包括光斑图与配光曲线图等。另一个比较重要的导出IES文件，IES文件是灯具或光源的光强在空间公布的电子格式的文件，里面还可以包括生产公司，测试时间，功率等信息。但TP导出IES文件只包括相关的光学数据。打开配光曲线，右击再点另存为，打开对话框，保存类型选择IESNALM-63(*.ies)，弹出IESFileDefaults（IES文件设置），按实际需要输入设置值，点击OK，输入文件名再确认。IES就会保存到相应路径下的文件夹中了。至此，整个模拟过程就结束了。7.附加模拟这里介绍TP模拟时经常用到的另一个功能，对透镜设计有一定的参考，但不是模拟的必要过程，因此附加在本例的最后面。本实例是准直TIR透镜，也就是说在原点的点光源发出的光经过透镜后可以平行出射。这种光源在LightTools里可以非常轻松的设置，但在TP里却要一条光线一条光线的去设置。TP里有一种格点光源，这种光源是可以严格定义位置与方向的。点击TP界面的最左端，点开光源项右击定义，点开格点光源。如下图中，每隔5度（如果不嫌麻烦，可以减小间隔角度）添加一条光线。这个角度是指光线与透镜水平方向的夹角，这样从90第隔5度加入一条，一共18条。然后将其它的光源全部关闭，刚加入的格点光源，点击光线追迹。由上图可以发现，由原点发出的光线经过透镜后都可以准直射出，达到了准直透镜的要求。