FRED应用：发光二极管（LED）

本应用说明介绍了两种模拟LED的方法，强调了一些有用的分析工具。

 

FRED用于LED建模

CAD导入

■ FRED可以导入IGES和STEP格式CAD模型，允许光学和机械元件的快速集成。

■ 一些LED厂商网上提供CAD文件，如Cree，OSRAM，Philips Lumileds，Bridgelux。

光线文件导入

■ 可以将光线文件可以动态地加载到FRED的光源定义中。

■ 一些LED厂商网上提供光线文件，如Cree，OSRAM，Philips Lumileds，Bridgelux。
 

数字化工具

■ 数据表产生的数据图光谱（曲线）图可以被数字化，并用于生成光源波长。

■ 数据表产生的角分布曲线可以被数字化，并用于光源能量切趾。•

■ 2-D机械图纸可以被数字化，并用于生成精确的几何形状。

极坐标计算下的强度

■ 可以计算出角分布，从而与厂商的规格对比进行模型验证。

■ 彩色图像

■ 可以计算和渲染精确的彩色图像，不仅提供比色法色度计算的数据（例如RGB值和色度坐标），也提供彩色图像分布的视觉效果情景图。

可视化视图

■ 任何图像或渲染可以显示在三维视图中，可以快速验证模型的设置，或者用于系统的可视化演示中。

 

目录

简介........................................................................ 2

在FRED中的实际例子：创建一个LED ............. 3

方法1：CAD几何体和光线文件....................... 3

方法2：数据表...........................................7

两种方法的对比................................ 8

专注于FRED工具：彩色图像.............................. 9

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

简介

发光二极管（LED）正迅速成为很多领域上首选的光源，包括汽车业、背光和投影、医疗器械、工业应用，装饰照明等等。有几种不同的方法来创建LED模型，可以根据具体的情况来确定最合适的仿真。一些厂商如Cree,，OSRAM，Philips Lumileds和Bridgelux在其网站上粘贴了各种格式光线集，以供下载。这些光线文件包含（至少）光线的位置和方向，并且可以直接导入到FRED。此外，软件工具，例如ProSource，来自Radiant image公司，可从测试数据中生成光线集。使用这些光线软件也是模拟LED光分布的一种方法，还有一种方法是编辑LED的角分布，典型的是输入到它的技术数据表中，作为功率切趾。

有两种用于LED发射建模的情况：近场和远场。近场描述光线接近发射器的情况，其通常具有独特的空间结构的分布。在远场情况下，发射器近似为一个方向性的点光源并且光线服从一个稳定的，可预测的模式。还有就是远场区域的界限没有确切的定义，这取决于多种因素，如发射器的尺寸和形状以及包封透镜参数。最初在文献中定义的远场概念包括光源距发射器的距离是光源尺寸大小的5至15倍。对于远场应用，使用光线集和角分布具有相同的效果。在LED近场模式与仿真相关的条件下，一个完全精确的模型必须包含况下的一些主要内部结构的近似模型是足以产生一个适当的近场表示。因此，一个聪明，成功的一个高保真的LED的几何体的内部构造，包括为所有的光学元件设定适当的光学性质。构建这样一个详尽的模型非常昂贵，且费时费力，既无必要，在大多数情况下也是不现实的。建模的关键是了解模型类型和所需细节程度。本应用说明描述两种LED建模程序提供良好的出发点并鼓励用户在具体设计和应用上增加更多的细节和精度。
 

FRED中的实际案例：创建LED模型

越来越多的LED厂商提供在其网站上的提供了CAD模型和光线文件（Cree,，OSRAM，Philips Lumileds和Bridgelux ）。第一种方法描述了使用CAD几何体和光线文件导入和创建LED模型。第二种方法描述仅使用数据表说明来建LED模型。整个例子使用的是Philips Lumiled公司的Amber LUXEON Rebel Color，零件编号LXML-PL01-0030。

 

方法1：CAD几何体和光线文件
 

1、导入CAD几何体
 

FRED的CAD导入功能可以很方便地导入任何STEP或IGES格式的文件。在CAD导入对话框包含的选项如给曲面和曲线随机分配颜色，创造和独立绘制曲线，将模型以阴影曲面或线框的形式显示，并分配默认的光线追迹控制集。图1显示导入的线框形式的LUXEON Rebel LED的CAD几何体。注意，CAD几何体设置为“不可追迹”，这意味着它不能在光线追迹中使用。它作为一个参考物，使得LED模型相对于系统中的其它元素处于正确的位置。

 

图1、LUXEON Rebel LED的CAD模型导入到FRED，显示在线框中。

2、导入光线文件

可以将光线文件直接加载到Detailed Source的“Positions/Directions（位置/方向）”标签中，如2图所示。在FRED中支持的光线文件格式有：FRED紧凑型光线集（* .fcr）；ASAP分布文件（*.dis）；ProSource二进制格式支持从Zemax、OPTICAD和TracePro中导出的文件；支持LightTools和TracePro的ASCII /Text格式；LucidShape二进制文件。FRED允许用户决定是使用光线文件中的所有光线或是用户指定的子集。显然，所使用的光线越多，该模型越准确。然而，必须找到速度和光线数目之间的平衡点。通常在使用大量光线进行全部的光线追迹之前先使用一个较小的子集进行测试。

 

图2、Detailed optical source（详细光源）对话框显示导入光线文件的选项。

 

3、设置正确的功率和单位

取决于导入的光线文件的格式，FRED可以读取并为LED光源分配一个功率值，在弹出的窗口中显示功率的设置。可以查询LED数据表来验证该值，因为厂商通常会针对不同功率的LED提供单个光线文件。如果光线文件中没有指明功率大小，则默认值为1。可以在Detailed Source（详细光源）的Power（功率）标签中输入光源功率。FRED定义功率的单位有瓦特、流明或任意单位。图3显示了LED模型，白色绘制的是新定义的光源光线。
 

 

图3：从光线文件中导入光线的LED模型

4、数字化光谱

 

FRED有一个易于使用的数字化工具，它可以从一张BMP或JPEG格式的图中提取光谱数据点，如图4所示。数字化的光谱可以被分配给光源。每个FRED文档都有专门用于创建、管理、和绘制光谱的文件夹。光谱可指定为高斯，黑体或采样。采样的光谱类型是数字化光谱的一个合适选择。
 

 

图4、基于数据表中光谱能量分布曲线的Amber LUXEON LED光谱的数字化。

 

5、模型验证

FRED极坐标网格计算的强度与数据表提供的角分布结果对比，可用于验证LED模型。FRED中Directional Analysis Entity（直接分析实体）可以用来分析。该DAE是专为光线过滤、计算和在球形极坐标网格上显示光强数据设计的。图5显示了Lumileds LUXEON Rebel的角分布图（左）与相应的FRED模型分布（右）良好的一致性。

 

图5：LUXEON Rebel LED的角分布图，（左）厂商提供的图，（右）FRED仿真的图。

 

方法2：仅仅使用数据表
 

1、创建光源
 

创建一个新的Detailed Source，将光线位置设置为“Random Pane（任意平面）（一个平面上随机排列的点）”，以避免光线结构产生影响。输入所需的光线数目并使用Isotropic（各向同性）角分布将光线方向指定为“一定角度范围内随机进入”。角度分布图将被用于定义光线的方向（步骤4）；将分布设置为Isotropic设置确保了不存在二次内部切趾。角分布图代表了远场辐射方向模型，所以应使用小的光线网格（在远场中发射器近似为一个点光源）。

 

2、设置正确的功率和数字化光谱

按照上述方法1中所述步骤3和步骤4操作。

3、数字化的角分布作为功率切趾
 

就像可以为光源分配数字化光谱一样，也可以为定向功率切趾分配数字化角分布来模拟LED的角度扩散。线性和极坐标图都可以被数字化。图6示出的一个极坐标切趾图的数字化。简单的LED灯模型是通过这一步完成的。

 

图6、基于极坐标图的Amber LUXEON Rebel LED的角分布的数字化图像

 

这两种方法的比较

通过计算距LED模型多个距离平面上的照度分布，来比较上述的两种方法，如图7所示。两个模型用5000000条光线进行了仿真，分布看起来非常相似，主要区别在于光线文件模型具有较低的辐照度。模型使用不同光线集时变化较小。注意，即使距离光源2mm，属于近场区域范围，辐照分布也非常相似。

 

图7、距离光源2、4、8、16毫米时的照度分布。在模拟仿真中使用了5M条光线。处于每个距离的两幅图像有相同的规格。

 

专注于FRED的一个工具：彩色图像

FRED有一个分析工具，Color Image，用于彩色可视化和色度计算。例如，可以组合不同权重的多个波长，并合成相应的颜色。图8显示出了四个不同颜色的LED灯透过准直透镜并照射屏幕上。渲染的彩色图像显示在3D视图在屏幕上。使用FRED的可视化视图功能可以将任何分析图显示在3D视图中。图9显示了完整的彩色图像计算结果窗口。

 

图8、四个单波长的LED穿过准直透镜并在屏幕上重合。混合四个LED得到的彩色图像由彩色图像由彩色图像分析功能进行渲染，并通过可视化视图功能显示在3D视图中。

 

图9、彩色图像分析结果窗口显示4个窗格（左上至右下）：RGB值渲染的彩色图像；X灰度横截面；Y灰度横截面；色度图与色度坐标。

显示在图9中的彩色渲染具有定义的结构。这些LED是立方模型发射器，中间是一个圆形的键合焊盘。这是几个关键内部结构的建模的一个例子，表示了近场模式的相关方面。准直透镜置于发射器的前焦点，准直透镜不仅提供了良好的准直效果，而且将发射器的结构成像到远场中去，如在屏幕上看到的。如果达到的效果是不理想，经常会出现的情况，有两种解决办法：移动透镜或使用非成像光学器件。将透镜移动到离LED更远的地方，改变发射器的焦点，结构消失了，如图10所示。光束更加发散，但只是只发生了微小的改变。非成像光学器件，例如一个收集器或反射器，也可用于引导光线，而无需创建不需要的结构。

 

图10。将透镜稍微远离LED时的颜色渲染，可以消除图8中显示的发射器的结构看出