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基于TracePro的LED二次配光设计

基于TracePro的LED二次配光设计
基于TracePro的LED二次配光设计

基于TracePro的LED二次配光设计

(南京汉德森科技股份有限公司)

摘要:随着LED光效的大幅度提升,LED迅速进入了商业照明市场,并逐步取代传统光源,成为21世纪的主要光源。在LED的强大诱惑力下,各大厂商纷纷投入LED产业。本文将借助TracePro软件设计一款窄配光的LED定向照明灯,并通过实验测试来说明仿真软件在LED照明设计中的应用。

关键词:TracePro、LED、配光、照明

1. 引言

2010年,在全球呼唤低碳、节能的背景下,LED产业显得异常火爆。大功率LED作为固态半导体照明光源,本身具有绿色环保的优点,自问世以来就倍受青睐。LED体积小、重量轻、能耗少、寿命长、响应时间短、抗震性好,十分适合作为21世纪的新型照明光源。

照明的质量和水平已成为衡量社会现代化程度的一个重要标志,成为人类社会可持续发展的一项重要措施。根据资料统计,全球照明用电占总用电量的20%,占总能耗的7%【1】。商业照明的日工作时间长,功率大,耗电多,随着LED光效的提升,完全可以采用LED作为商业照明光源。

传统商业照明主要有筒灯、射灯和PAR灯系列。PAR灯(Parabolic Aluminum Reflector)多用于定向照明,角度要求较窄。因LED发光面较小,往往需要进行二次配光,使能量重新分布,以达到定向照明的效果。

和其他光源的应用一样,光学工程师运用光学原理来设计LED的实际光学系统。计算机辅助设计在光学工程领域是一种非常有用的工具。尽管计算机程序不能代替光学工程师来设计光学系统,但计算机辅助设计大大简化和加快了设计过程。随着计算机运算能力的快速提高,图形工具的不断完善,设计人员能够从理论上多方位检测光学系统的性能,而不需耗资巨大来制造试验样品【2】。

TracePro是一款基于蒙特卡罗法(Monte Carlo)的非序列光线追迹软件(Non-Sequential Ray Tracing),为美国Lambda Research公司开发,主要用于照明设计和杂散光分析。TracePro 以实体对象来构建光路系统,通过同时计算反射、折射、散热、吸收和衍射等行为来模拟光

线与实体表面的作用,在LED配光设计中占有重要地位。

TracePro用于照明设计的一般流程如图1所示。本文将通过如下流程进行一款采用LED 光源的PAR20灯具(下文将简称PAR20)反光杯设计。

图1 TracePro设计的一般流程

2. 仿真设计

目前常用的LED二次配光器件可分为透镜、反光杯和折光板。反光杯设计时,须重点考虑反光表面的反射比,反光面常以金属材料进行镀涂,各种材料的反射比如表1所示(测试时,垂直入射光线的波长为589.3nm)。金属铝在整个红外到近紫外区都有很高的反射比,它是照明用反光元件理想的反光材料。

表1 常用金属材料光学性能

反光杯按基体材料可分为金属反光杯、塑料反光杯和玻璃反光杯,其性能如表2所示。金属反光杯可通过旋压、冲裁和抛光等工艺完成,有形变记忆,常用于低照明要求的灯具;塑料反光杯可通过一次脱模完成,光学精度较高,无形变记忆,成本适中,常用于较高要求的照明灯具;玻璃反光杯光学精度高,无形变记忆,但其密度大,较易破碎,常应用在不需要移动的高品质产品中,如电影放映机、探照灯等。

表2 常用反光杯性能对比

本款PAR20灯具采用Nichia公司的LED光源(共4颗),型号NS6L083BT,标称光通量为80lm,光谱图和一次配光曲线如图2所示。设计要求的半光强角度为20°~30°,二次配光的理论角度为25°。因角度要求较高,本反光杯设计为电镀级ABS基材,表面真空镀铝处理。

图2 LED光谱图和一次配光曲线

根据光路可逆原理【3】,并借助SolidWork软件进行反光杯的几何模型建立,母线采用多段曲线设计,结果如图3所示。我们知道,LED热平衡时的效率约90%,即经过反光杯重新分配的能量约为热平衡时总能量的90%。

根据LED的光谱图和一次配光曲线(图2),在TracePro软件中自定义光源属性,并将该光源属性赋予LED的发光表面上(LED的物理排布结果如图4所示),光线总量为120万根,比例系数设为热效率0.9。本次设计主要关心灯具的配光曲线和光斑情况,为了获得较均匀的光斑,反射面经过晒纹处理(晒纹型号:G01—11301,东莞长城工模蚀纹厂)。参

数设置完成后进行光线追迹,为便于分析,取总光线量的0.1%进行显示,结果如图5所示。仿真的极坐标系配光曲线和笛卡尔坐标系配光曲线分别如图6和图7所示,半光强角约为26.2°;2米处的中心照度约138.3lux,辉度图(光斑)如图8所示。

图3 反光杯模型

图4 LED的排布

图5 光线追迹结果(总光线量的0.1%)

图6 配光曲线(极坐标系)

图7 配光曲线(笛卡尔坐标系)

图8 2米处辉度图(仿真)

3. 实验测试

整个灯具经开模加工后,经装配完成(图9)并在实验室进行配光测试,测试仪器为杭州远方光电信息有限公司的GO1900L灯具配光曲线测试系统,配光曲线如图10所示,中心光强539.8cd,等效总光通量约235.4lm;采用记忆式照度计TES-1366A(台湾泰仕)进行照度测试,2米处中心照度约133.7lux,将灯具点亮后对准白色墙壁照射,辉度图(光斑)如图11所示。

图9 反光杯安装情况(取掉透明灯罩)

图10 实测配光曲线

图11 实测2米处辉度图

4. 结果分析

将TracePro的仿真结果和实验测试结果进行对比,结果如表3所示。考虑到加工和实验测试的误差,该结果完全能够接受。实际灯具的光斑均匀,无暗斑等缺陷,符合设计要求。

表3 结果对比

通过计算机仿真,能够快速的帮助光学工程师进行准确的配光设计,有利于缩短研发周期和节约成本,随着LED照明产业的急剧发展,计算机仿真技术将发挥更加重要的作用。

参考文献:

【1】王晓媛,齐维贵·我国城市道路照明节电技术研究与应用现状[J]·照明工程学报,2010年第1期:1

【2】严萍,李剑清·照明用LED光学系统的计算机辅助设计[J]·半导体光电,2004年第3期:1~2

【3】胡玉禧,安连生·应用光学[M]·中国科学技术大学出版社,2006年2月:14~15

Tracepro入门与进阶1-40

Tracepro 入门与进阶
CYQ DESIGN STUDIO
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Tracepro 入门与进阶
CYQ DESIGN STUDIO
内 容 简 介
本书以美国 Lambda Research Corporation 的最新 3.24 版本为蓝本进行编写, 内容涵盖了 tracepro3.24 光学仿真设计的概念、tracepro 软件的配置和用户定制、光 学元件模型的创建、描光、分析等内容。 本书章节的安排次序采用由浅入深,前后呼应的教学原则,在内容安排上,为方 便读者更快、更深入地理解 tracepro 软件中的一些相关概念、命令和功能,并对运用 该软件进行光学仿真设计的过程有一个全局的了解,本书中介绍了单片 LCD 投影机 的仿真设计全过程,同时在本书的最后一章详细介绍了背光源等光学仿真设计过程, 增强了本书的可读性和实用性,摆脱单个概念、命令、功能的枯燥讲解和介绍。 本书可作为光学专业人员的自学教程和参考书籍, 也可作为大专院校光学、 光电专业 的学生学习 tracepro 的使用教材。
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Tracepro 入门与进阶
CYQ DESIGN STUDIO


Tracepro 是一套可以做照明光学系统分析、传统光学分析,辐射度以及光度分析 的软件, 它也是第一套由符合工业标准的 ACIS 立体模型绘图软件发展出来的光机软 件。 功能强大的 Tracepro 减轻了光学设计人员的劳动强度,节约了大量的人力资源, 缩短了设计周期,还可以开发出更多质量更高的光学产品。但目前 Tracepro 学习教 程甚少, 不少初学者苦于无参考学习资料而举步为艰。 本人根据从事光学设计的经验 与运用 Tracepro 的体会,汇集成书,目的是使 Tracepro 的初学人员能快速入门,快 速见效,使已入门者能进一步提高 Tracepro 的应用水平和操作能力,从而在工作中 发挥更大的效益,为中国的光学事业作出贡献! 本书乃仓促而成,虽然几经校对,但错误之处在所难免,恳请广大读者朋友予以 指正,不甚感谢! 电子邮箱: cyqdesign@https://www.wendangku.net/doc/c55607854.html,
陈涌泉 2004 年 12 月 4 日
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LED(Tracepro官方LED建模光学仿真设计教程)

Requirements Models: None Properties: None Editions: TracePro LC, Standard and Expert Introduction In this example you will build a source model for a Siemens LWT676 surface mount LED based on the manufacturer’s data sheet. The dimensions will be used to build a solid model and the source output will be defined to match the LED photometric curve. Copyright ? 2013 Lambda Research Corporation.

Create a Thin Sheet First analyze the package to determine the best method of constructing the geometry in TracePro. The symmetry of the package suggests starting from a Thin Sheet and extruding the top and bottom halves with a small draft angle. Construct Thin Sheet in the XY plane. 1. Start TracePro 2. Select View|Profiles|XY or click the View XY button on the toolbar, and switch to silhouette mode, View|Silhouette. 3. Select Insert|Primitive Solid and select the Thin Sheet tab. 4. Enter the four corners of the Thin Sheet in mm in the dialog box, as shown below, and click Insert. 5. Click the Zoom All button or select View|Zoom|All to see the new object.

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XLamp XP-E。如下图,XP-E Cool White Optical Source Model - TracePro (zip) (42 MB)是适合TracePro使用的光源文件,其网站地址为:https://www.wendangku.net/doc/c55607854.html,/LED-Components-and-Modules/Products/XLamp/Discrete-Directional/XLa mp-XPE。

tracepro实验报告范文

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tracepro实验报告范文 前言语料:温馨提醒,报告一般是指适用于下级向上级机关汇报工作,反映情况, 答复上级机关的询问。按性质的不同,报告可划分为:综合报告和专题报告;按行 文的直接目的不同,可将报告划分为:呈报性报告和呈转性报告。体会指的是接触 一件事、一篇文章、或者其他什么东西之后,对你接触的事物产生的一些内心的想 法和自己的理解 本文内容如下:【下载该文档后使用Word打开】 一.实验概况 实验时间: 实验地点:合肥工业大学仪器学院平房实验室 指导老师:郎贤礼 实验要求:1.熟练TracePro软件基本功能及实际操作方法; 2.掌握光学器件设计的原理及一般步骤; 3.会对设计好的光学器件进行数据图像分析; 4.能够自己设计简单的光学器件。 二.实验内容 (一)软件介绍TracePro是一套普遍用于照明系统、光学分析、辐射度分析及光度分析的光线模拟软体。它是第一套以ACISsolidmodelingkernel为基本的光学软体。第一套结合真实固体模型、强大光学分析功能、资料转换能力强及易上手的使用介面的模拟软件。

TracePro可利用在显示器产业上,它能模仿所有类型的显示系统,从背光系统,到前光、光管、光纤、显示面板和LCD投影系统。应用领域包括:照明、导光管、背光模组、薄膜光学、光机设计、投影系统、杂散光、雷射邦浦常建立的模型:照明系统、灯具及固定照明、汽车照明系统(前头灯、尾灯、内部及仪表照明)、望远镜、照相机系统、红外线成像系统、遥感系统、光谱仪、导光管、积光球、投影系统、背光板。TracePro作为下一代偏离光线分析软件,需要对光线进行有效和准确地分析。为了达到这些目标,TracePro具备以下这些功能:处理复杂几何的能力,以定义和跟踪数百万条光线;图形显示、可视化操作以及提供3D实体模型的数据库;导入和导出主流CAD软件和镜头设计软件的数据格式。通过软件设计和仿真功能,可以:得到灯具的出光角度:只需有灯具的3D模块便可通过软件仿真功能预判灯具出光角度,以此判断灯具是否达到设计目标。得到灯具出光光斑图和照度图:可以模拟灯具打在不同距离得到的光斑、照度图分布情况,以此判断灯具出光性能。灯具修改建议功能:如果通过软件判断初步设计灯具性能不符合要求,TracePro光线可视图可以看到形成配光图每段曲线是由罩那段曲线形成,以提供修改建议。准配光图和IES文件:可导出标准配光图和IES文件,用于照明工程设计。实际效益通过软件的仿真功能,可以一次次在软件中完成灯具结构不同状态下时的出光性能,而不需每次灯具修改都需开模或做手板后测试才知道,这就大大缩短了产品开发周期、节省开模成本费用、提高产品设计准确性。

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tracepro实验报告范文 一.实验概况 实验时间: 实验地点:合肥工业大学仪器学院平房实验室 指导老师:郎贤礼 实验要求:1.熟练TracePro软件基本功能及实际操作方法; 2.掌握光学器件设计的原理及一般步骤; 3.会对设计好的光学器件进行数据图像分析; 4.能够自己设计简单的光学器件。 二.实验内容 (一)软件介绍 TracePro是一套普遍用于照明系统、光学分析、辐射度分析及光度分析的光线模拟软体。它是第一套以ACIS solid modeling kernel为基本的光学软体。第一套结合真实固体模型、强大光学分析功能、资料转换能力强及易上手的使用介面的模拟软件。 TracePro可利用在显示器产业上,它能模仿所有类型的显示系统,从背光系统,到前光、光管、光纤、显示面板和LCD投影系统。应用领域包括:照明、导光管、背光模组、薄膜光学、光机设计、投影系统、杂散光、雷射邦浦常建立的模型:照明系统、灯具及固定照明、汽车照明系统(前头灯、尾灯、内部及仪表照明)、望远镜、照相机系统、红外线成像系统、遥感系统、光谱仪、导光管、积光球、投影系统、背光板。 TracePro作为下一代偏离光线分析软件,需要对光线进行有效和准确地分析。为了达到这些目标,TracePro具备以下这些功能:处理复杂几何的能力,以定义和跟踪数百万条光线;图形显示、可视化操作以及提供3D实体模型的数据库;导入和导出主流CAD软件和镜头设计软件的数据格式。通过软件设计和仿真功能,可以: 得到灯具的出光角度:只需有灯具的 3D模块便可通过软件仿真功能预判灯具出光角度,以此判断灯具是否达到设计目标。得到灯具出光光斑图和照度图:可以模拟灯具打在不同距离得到的光斑、照度图分布情况,以此判断灯具出光性能。灯

tracepro仿真设计实例

三、实验步骤 下面以导光管为例: 1.运行Tracepro并用File|New打开一个新模型; 2.打开Insert|Primative Solid对话框,并选择Cylinder/Cone标签; 3.输入主半径为2,长度为30,并按下Insert按钮; 4.按下Zoom All缩放全部或者View|菜单以便看到新物件 5.用Edit|Select|Surface菜单选择棒的右端面right end;用鼠标“选取”棒的端面。 6.选择Edit|Surface|Revolve Surface Selection旋转填料选项; 7.输入角度90°与弯曲半径25; 8.将轴置于点(0,-25,30),并定义轴的指向为空间中的X轴方向; 9.按下旋转填料Revolve Surface按钮来进行弯曲;

10.通过Edit|Surface|Sweep打开表面拉伸填料选项Sweep Surface Selection对话框; 11.在拉伸长度Distance框中输入15,拉伸角度Draft angle为-2°,表面沿着设定长度被拉伸的同时,以2°的角度逐渐变细: 12.用Edit|Select|Object菜单选择导光管,并用鼠标点击导光管; 13.用Define|Apply Properties(设定材料),打开Apply Properties应用特性对话框: 14.选择Plastic目录Catalog,选择名称Acrylic并按下Apply按钮;

15.选择菜单Insert|Lens Element,透镜参数为Surface1 Radius : 25,Thickness 3.5mm,Material BK7,Position (0, 0, -40)在导光管前安置一汇聚透镜,以达到较好的光 路耦合性能。 16.设定光源,菜单选择,Analysis|Grid Raytrace,网格光线沿圆周排列 Annular,半径 Outer Radius 10mm,网格光线圆周数量 Rings : 10, 光线的起点位置 (0, 0, -48).

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