本應用說(shuō)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(xué)和機械元件的快速集成。
一些LED廠(chǎng)商網(wǎng)上提供CAD文件，如Cree，OSRAM，Philips Lumileds，Bridgelux。
光線(xiàn)文件導入
可以將光線(xiàn)文件可以動(dòng)態(tài)地加載到FRED的光源定義中。
一些LED廠(chǎng)商網(wǎng)上提供光線(xiàn)文件，如Cree，OSRAM，Philips Lumileds，Bridgelux。
數字化工具
數據表產(chǎn)生的數據圖光譜（曲線(xiàn)）圖可以被數字化，并用于生成光源波長(cháng)。
數據表產(chǎn)生的角分布曲線(xiàn)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(chǎng)商的規格對比進(jìn)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(jué)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。
FRED中的實(shí)際案例：創(chuàng )建LED模型
越來(lái)越多的LED廠(chǎng)商提供在其網(wǎng)站上的提供了CAD模型和光線(xiàn)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(xiàn)文件導入和創(chuàng )建LED模型。第二種方法描述僅使用數據表說(shuō)明來(lái)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LXML-PL01-0030。
方法1：CAD幾何體和光線(xiàn)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(huà)框包含的選項如給曲面和曲線(xiàn)隨機分配顏色，創(chuàng )造和獨立繪制曲線(xiàn)，將模型以陰影曲面或線(xiàn)框的形式顯示，并分配默認的光線(xiàn)追跡控制集。圖1顯示導入的線(xiàn)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(zhù)它不能在光線(xiàn)追跡中使用。它作為一個(gè)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(xiàn)框中。
2、導入光線(xiàn)文件
可以將光線(xiàn)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(xiàn)文件格式有：FRED緊湊型光線(xiàn)集（* .fcr）；ASAP分布文件（*.dis）；ProSource二進(jìn)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(jìn)制文件。FRED允許用戶(hù)決定是使用光線(xiàn)文件中的所有光線(xiàn)或是用戶(hù)指定的子集。顯然，所使用的光線(xiàn)越多，該模型越準確。然而，必須找到速度和光線(xiàn)數目之間的平衡點(diǎn)。通常在使用大量光線(xiàn)進(jìn)行全部的光線(xiàn)追跡之前先使用一個(gè)較小的子集進(jìn)行測試。
圖2.Detailed optical source（詳細光源）對話(huà)框顯示導入光線(xiàn)文件的選項。
3、設置正確的功率和單位
取決于導入的光線(xiàn)文件的格式，FRED可以讀取并為L(cháng)ED光源分配一個(gè)功率值，在彈出的窗口中顯示功率的設置�？梢圆樵�(xún)LED數據表來(lái)驗證該值，因為廠(chǎng)商通常會(huì )針對不同功率的LED提供單個(gè)光線(xiàn)文件。如果光線(xiàn)文件中沒(méi)有指明功率大小，則默認值為1�？梢栽贒etailed 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(xiàn)。
圖3.從光線(xiàn)文件中導入光線(xiàn)的LED模型
4、數字化光譜
FRED有一個(gè)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(diǎn)，如圖4所示。數字化的光譜可以被分配給光源。每個(gè)FRED文檔都有專(zhuān)門(mén)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(lèi)型是數字化光譜的一個(gè)合適選擇。
圖4.基于數據表中光譜能量分布曲線(xiàn)的Amber LUXEON LED光譜的數字化。
5、模型驗證
FRED極坐標網(wǎng)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(shí)體）可以用來(lái)分析。該DAE是專(zhuān)為光線(xiàn)過(guò)濾、計算和在球形極坐標網(wǎng)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(chǎng)商提供的圖，（右）FRED仿真的圖。
方法2：僅僅使用數據表
1、創(chuàng )建光源
創(chuàng )建一個(gè)新的Detailed Source，將光線(xiàn)位置設置為“Random Pane（任意平面）（一個(gè)平面上隨機排列的點(diǎn)）”，以避免光線(xiàn)結構產(chǎn)生影響。輸入所需的光線(xiàn)數目并使用Isotropic（各向同性）角分布將光線(xiàn)方向指定為“一定角度范圍內隨機進(jìn)入”。角度分布圖將被用于定義光線(xiàn)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(chǎng)輻射方向模型，所以應使用小的光線(xiàn)網(wǎng)格（在遠場(chǎng)中發(fā)射器近似為一個(gè)點(diǎn)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(lái)模擬LED的角度擴散。線(xiàn)性和極坐標圖都可以被數字化。圖6示出的一個(gè)極坐標切趾圖的數字化。簡(jiǎn)單的LED燈模型是通過(guò)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(guò)計算距LED模型多個(gè)距離平面上的照度分布，來(lái)比較上述的兩種方法，如圖7所示。兩個(gè)模型用5000000條光線(xiàn)進(jìn)行了仿真，分布看起來(lái)非常相似，主要區別在于光線(xiàn)文件模型具有較低的輻照度。模型使用不同光線(xiàn)集時(shí)變化較小。注意，即使距離光源2mm，屬于近場(chǎng)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(shí)的照度分布。在模擬仿真中使用了5M條光線(xiàn)。處于每個(gè)距離的兩幅圖像有相同的規格。
專(zhuān)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算。例如，可以組合不同權重的多個(gè)波長(cháng)，并合成相應的顏色。圖8顯示出了四個(gè)不同顏色的LED燈透過(guò)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(gè)單波長(cháng)的LED穿過(guò)準直透鏡并在屏幕上重合�；旌纤膫�(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(guò)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(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。
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(fā)射器，中間是一個(gè)圓形的鍵合焊盤(pán)。這是幾個(gè)關(guān)鍵內部結構的建模的一個(gè)例子，表示了近場(chǎng)模式的相關(guān)方面。準直透鏡置于發(fā)射器的前焦點(diǎn)，準直透鏡不僅提供了良好的準直效果，而且將發(fā)射器的結構成像到遠場(chǎng)中去，如在屏幕上看到的。如果達到的效果是不理想，經(jīng)常會(huì )出現的情況，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更遠的地方，改變發(fā)射器的焦點(diǎn)，結構消失了，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，也可用于引導光線(xiàn)，而無(wú)需創(chuàng )建不需要的結構。
圖10.將透鏡稍微遠離LED時(shí)的顏色渲染，可以消除圖8中顯示的發(fā)射器的結構看出
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