本應用說明介紹了兩種模擬LED的方法，強調了一些有用的分析工具。

 

FRED用于LED建模

CAD導入

■ FRED可以導入IGES和STEP格式CAD模型，允許光學和機械元件的快速集成。

■ 一些LED廠商網上提供CAD文件，如Cree，OSRAM，Philips Lumileds，Bridgelux。

光線文件導入

■ 可以將光線文件可以動態地加載到FRED的光源定義中。

■ 一些LED廠商網上提供光線文件，如Cree，OSRAM，Philips Lumileds，Bridgelux。
 

數字化工具

■ 數據表產生的數據圖光譜（曲線）圖可以被數字化，并用于生成光源波長。

■ 數據表產生的角分布曲線可以被數字化，并用于光源能量切趾。?

■ 2-D機械圖紙可以被數字化，并用于生成精確的幾何形狀。

極坐標計算下的強度

■ 可以計算出角分布，從而與廠商的規格對比進行模型驗證。

■ 彩色圖像

■ 可以計算和渲染精確的彩色圖像，不僅提供比色法色度計算的數據（例如RGB值和色度坐標），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，可以快速驗證模型的設置，或者用于系統的可視化演示中。

 

目錄

簡介........................................................................ 2

在FRED中的實際例子：創建一個LED ............. 3

方法1：CAD幾何體和光線文件....................... 3

方法2：數據表...........................................7

兩種方法的對比................................ 8

專注于FRED工具：彩色圖像.............................. 9

更多信息...................................................... 11

簡介

發光二極管（LED）正迅速成為很多領域上首選的光源，包括汽車業、背光和投影、醫療器械、工業應用，裝飾照明等等。有幾種不同的方法來創建LED模型，可以根據具體的情況來確定最合適的仿真。一些廠商如Cree,，OSRAM，Philips Lumileds和Bridgelux在其網站上粘貼了各種格式光線集，以供下載。這些光線文件包含（至少）光線的位置和方向，并且可以直接導入到FRED。此外，軟件工具，例如ProSource，來自Radiant image公司，可從測試數據中生成光線集。使用這些光線軟件也是模擬LED光分布的一種方法，還有一種方法是編輯LED的角分布，典型的是輸入到它的技術數據表中，作為功率切趾。

有兩種用于LED發射建模的情況：近場和遠場。近場描述光線接近發射器的情況，其通常具有獨特的空間結構的分布。在遠場情況下，發射器近似為一個方向性的點光源并且光線服從一個穩定的，可預測的模式。還有就是遠場區域的界限沒有確切的定義，這取決于多種因素，如發射器的尺寸和形狀以及包封透鏡參數。最初在文獻中定義的遠場概念包括光源距發射器的距離是光源尺寸大小的5至15倍。對于遠場應用，使用光線集和角分布具有相同的效果。在LED近場模式與仿真相關的條件下，一個完全精確的模型必須包含況下的一些主要內部結構的近似模型是足以產生一個適當的近場表示。因此，一個聰明，成功的一個高保真的LED的幾何體的內部構造，包括為所有的光學元件設定適當的光學性質。構建這樣一個詳盡的模型非常昂貴，且費時費力，既無必要，在大多數情況下也是不現實的。建模的關鍵是了解模型類型和所需細節程度。本應用說明描述兩種LED建模程序提供良好的出發點并鼓勵用戶在具體設計和應用上增加更多的細節和精度。
 

FRED中的實際案例：創建LED模型

越來越多的LED廠商提供在其網站上的提供了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入和創建LED模型。第二種方法描述僅使用數據表說明來建LED模型。整個例子使用的是Philips Lumiled公司的Amber LUXEON Rebel Color，零件編號LXML-PL01-0030。

 

方法1：CAD幾何體和光線文件
 

1、導入CAD幾何體
 

FRED的CAD導入功能可以很方便地導入任何STEP或IGES格式的文件。在CAD導入對話框包含的選項如給曲面和曲線隨機分配顏色，創造和獨立繪制曲線，將模型以陰影曲面或線框的形式顯示，并分配默認的光線追跡控制集。圖1顯示導入的線框形式的LUXEON Rebel LED的CAD幾何體。注意，CAD幾何體設置為“不可追跡”，這意味著它不能在光線追跡中使用。它作為一個參考物，使得LED模型相對于系統中的其它元素處于正確的位置。

 

圖1、LUXEON Rebel LED的CAD模型導入到FRED，顯示在線框中。

2、導入光線文件

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二進制格式支持從Zemax、OPTICAD和TracePro中導出的文件；支持LightTools和TracePro的ASCII /Text格式；LucidShape二進制文件。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，該模型越準確。然而，必須找到速度和光線數目之間的平衡點。通常在使用大量光線進行全部的光線追跡之前先使用一個較小的子集進行測試。

 

圖2、Detailed optical source（詳細光源）對話框顯示導入光線文件的選項。

 

3、設置正確的功率和單位

取決于導入的光線文件的格式，FRED可以讀取并為LED光源分配一個功率值，在彈出的窗口中顯示功率的設置。可以查詢LED數據表來驗證該值，因為廠商通常會針對不同功率的LED提供單個光線文件。如果光線文件中沒有指明功率大小，則默認值為1。可以在Detailed Source（詳細光源）的Power（功率）標簽中輸入光源功率。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：從光線文件中導入光線的LED模型

4、數字化光譜

 

FRED有一個易于使用的數字化工具，它可以從一張BMP或JPEG格式的圖中提取光譜數據點，如圖4所示。數字化的光譜可以被分配給光源。每個FRED文檔都有專門用于創建、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字化光譜的一個合適選擇。
 

 

圖4、基于數據表中光譜能量分布曲線的Amber LUXEON LED光譜的數字化。

 

5、模型驗證

FRED極坐標網格計算的強度與數據表提供的角分布結果對比，可用于驗證LED模型。FRED中Directional Analysis Entity（直接分析實體）可以用來分析。該DAE是專為光線過濾、計算和在球形極坐標網格上顯示光強數據設計的。圖5顯示了Lumileds LUXEON Rebel的角分布圖（左）與相應的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：僅僅使用數據表
 

1、創建光源
 

創建一個新的Detailed Source，將光線位置設置為“Random Pane（任意平面）（一個平面上隨機排列的點）”，以避免光線結構產生影響。輸入所需的光線數目并使用Isotropic（各向同性）角分布將光線方向指定為“一定角度范圍內隨機進入”。角度分布圖將被用于定義光線的方向（步驟4）；將分布設置為Isotropic設置確保了不存在二次內部切趾。角分布圖代表了遠場輻射方向模型，所以應使用小的光線網格（在遠場中發射器近似為一個點光源）。

 

2、設置正確的功率和數字化光譜

按照上述方法1中所述步驟3和步驟4操作。

3、數字化的角分布作為功率切趾
 

就像可以為光源分配數字化光譜一樣，也可以為定向功率切趾分配數字化角分布來模擬LED的角度擴散。線性和極坐標圖都可以被數字化。圖6示出的一個極坐標切趾圖的數字化。簡單的LED燈模型是通過這一步完成的。

 

圖6、基于極坐標圖的Amber LUXEON Rebel LED的角分布的數字化圖像

 

這兩種方法的比較

通過計算距LED模型多個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。兩個模型用5000000條光線進行了仿真，分布看起來非常相似，主要區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變化較小。注意，即使距離光源2mm，屬于近場區域范圍，輻照分布也非常相似。

 

圖7、距離光源2、4、8、16毫米時的照度分布。在模擬仿真中使用了5M條光線。處于每個距離的兩幅圖像有相同的規格。

 

專注于FRED的一個工具：彩色圖像

FRED有一個分析工具，Color Image，用于彩色可視化和色度計算。例如，可以組合不同權重的多個波長，并合成相應的顏色。圖8顯示出了四個不同顏色的LED燈透過準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算結果窗口。

 

圖8、四個單波長的LED穿過準直透鏡并在屏幕上重合。混合四個LED得到的彩色圖像由彩色圖像由彩色圖像分析功能進行渲染，并通過可視化視圖功能顯示在3D視圖中。

 

圖9、彩色圖像分析結果窗口顯示4個窗格（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。

顯示在圖9中的彩色渲染具有定義的結構。這些LED是立方模型發射器，中間是一個圓形的鍵合焊盤。這是幾個關鍵內部結構的建模的一個例子，表示了近場模式的相關方面。準直透鏡置于發射器的前焦點，準直透鏡不僅提供了良好的準直效果，而且將發射器的結構成像到遠場中去，如在屏幕上看到的。如果達到的效果是不理想，經常會出現的情況，有兩種解決辦法：移動透鏡或使用非成像光學器件。將透鏡移動到離LED更遠的地方，改變發射器的焦點，結構消失了，如圖10所示。光束更加發散，但只是只發生了微小的改變。非成像光學器件，例如一個收集器或反射器，也可用于引導光線，而無需創建不需要的結構。

 

圖10。將透鏡稍微遠離LED時的顏色渲染，可以消除圖8中顯示的發射器的結構看出