光學設計中，光源的作用不言而喻，能夠準確地建模仿真光源對 OpticStudio 模擬整個光學系統(tǒng)至關重要。已經有前人為了 OpticStudio 的仿真做了相關工作，那么今天就讓我們來了解：

如何在OpticStudio中使用 Osram LED 光源數據

概述

在大多數光學系統(tǒng)設計中，光源的準確性發(fā)揮著重要的作用。光源建模的一種可能方法是使用光線文件。光線文件中通過大量光線來表示發(fā)射端光源，且無需對內部組件建模。每條光線由三個起始坐標和三個傳播方向坐標以及能量來表示：(x, y, z, l, m, n, F)。
LED 制造商 OSRAM Opto Semiconductors 為其支持 OpticStudio 格式的一系列產品提供了光線文件。您可以從 OSRAM Opto Semiconductors 網站上免費下載這些數據。本文將介紹如何在 OpticStudio 中訪問和使用 OSRAM Opto Semiconductors 提供的光線文件。

玻璃替換

下載光線數據

您可以在 OSRAM Opto Semiconductors 主頁 (https://www.osram.com/os/) 的“工具和服務/應用支持”菜單中找到光線文件。選定“光學模擬 (Optical Simulation)/光線文件 (Ray Files)/打包 CAD 數據 (Package CAD Data)”鏈接,將轉到標簽為“光學模擬 (Optical Simulation)”的頁面，其中包含“IR”和“LED”兩個子文件夾。點擊以下鏈接可直接訪問此頁面：https://www.osram.com/os/applications/optical-simulation-ray-files-package-cad-data/index.jsp。 子文件夾中列出了各自應用領域的不同產品類型。選擇感興趣的組之后，會顯示獨立的 LED 名稱，這些名稱依次對應各個光線文件的鏈接。

在本例中，我們將下載“OSCONIQ P2226”GB_DASPA2_13 數據。光線文件有多種數據格式。點擊兼容 OpticStudio 格式的光線文件的鏈接。下一步，閱讀并同意免責聲明，然后將文件保存到您的計算機中。

使用評價函數編輯器中的默認評價函數工具構建 RMS 波前優(yōu)化默認評價函數。

這些光線文件僅作為示例，表明此 LED 類型光源的典型發(fā)光特征。因此，這些光線文件不能保證已交付的 LED 和光線文件包中所示光源具有完全相同的發(fā)光特征。

光線數據包的內容

數據被壓縮為 zip 文件格式。其中包含具有不同光線數量的光線文件、一個 CAD 模型、LED 光譜、一個 OpticStudio（文件擴展名為 .zmx）示例文件和一個介紹文檔文件。

光線文件有三種不同數量的光線：100000、500000 和 5000000 條光線。文件格式為適用于 OpticStudio 的二進制數據格式，文件擴展名為 .DAT。光線文件中的光線隨機排序。所有光線的起始點略高于 LED 的外殼表面。如果不是有意為之，則需要在空白處指定光線的起始點。

CAD 模型有三種不同的格式：STEP、IGS 和 SLDPRT。它僅占據機械設計的預留位置，不用于光學光線追跡的計算。CAD 模型和光線文件始終使用相同的坐標系

其中至少包含一個輻射度顏色光譜的 SPCD 文件。SPCD 文件是用于 OpticStudio 中光譜數據的特定格式，文件格式為是文本格式，可在任何文本編輯器中查看和編輯。

PDF 格式的信息文件說明了文件光線的位置。此文件包含一份嵌套了 (x,y,z) 軸坐標系統(tǒng)的 LED 機械繪圖，其表明了 LED 光源相對于原始坐標系的方向和位置。文檔文件還包含與特定光線文件的“虛焦點”有關的信息。對于 OSRAM Opto Semiconductors 的光線文件，此“虛焦點”被定義為 3D 空間中所有光線集中的光線光強加權求和最小距離的點。其相對于之前提到的坐標系的坐標已給出。

此外，數據包中含有一個 OpticStudio 示例文件，給出推薦設置，并介紹了光線文件和 CAD 模型的校準。以下內容指導如何使用 OpticStudio 鏡頭文件的示例。

導入單色 LED 光線文件

在本例中，我們使用“OSCONIQ P2226”GB_DASPA2 的光線數據。其為單色 LED 光源，光譜中心位于大約 465 nm 處，光譜寬度約為 23 nm。

OpticStudio 示例文件（名為 *_sample_Zemax.zmx）包括 CAD 模型和位于全局原點的光線文件。它包含所有推薦設置，并給出易于光學光線追跡計算的起始點。因此，我們只需要復制 OpticStudio 某些數據文件夾中的必要文件并打開示例文件。我們接下來將進行此操作并審查文件中的設置。

啟動 OpticStudio，選擇“Setup...Project Preferences”并點擊 OpticStudio 中物體目錄的位置。

將光線數據包中的光線文件（名為 rayfile_*_Zemax.DAT）復制到 OpticStudio 物體目錄中的“Sources\Source Files”子目錄中，并將光譜文件（名為 *_spectrum.spcd）復制到“Sources\Spectrum Files”子目錄中。示例文件使用 STEP 格式的 CAD 模型，因此必須將光線文件包中的 STEP 文件復制到 OpticStudio 物體目錄的“CAD Files”子目錄中。

現在打開 OpticStudio 示例鏡頭文件。如果所有文件已復制到正確的子文件夾中，則打開示例文件時不會出現任何錯誤消息

非序列元件編輯器 (NSCE) 顯示兩個元件 - 光源文件和 CAD 模型。兩者位于相同的位置，確保兩個元件相互正確校準

以下是 NSC 實體模型查看器中顯示的兩個對象的 3D 幾何圖形。光線在靠近 CAD 模型的外殼處發(fā)出。

在系統(tǒng)資源管理器中，單位設置為“流明 (Lumen)”和“毫米 (mm)”。如果不存在刻意修改，則 pdf 文檔中的 OSRAM Opto Semiconductors 光線文件中的單位設為“毫米”。GB DASPA2 的光通量以“流明 (Lumen)”為單位進行測量，所以我們選擇該單位用于此次模擬。因此，測量光照度的單位是 lm/m2 或“勒克司 (Lux)”。測量發(fā)光強度的單位是“流明 (Lumen)/球面度 (Steradian)”或“坎德拉 (Cd)”。測量亮度的單位是 lm/m2/sr 或 Cd/m2，該單位有時稱為“尼特 (Nit)”。

光源文件物體位于全局坐標系的中心，鏈接到具有 5000000 條光線的光線文件，并將光通量設置為 LED 的典型值。點擊光源文件的物體屬性，您將找到鏈接的光線文件和光譜。

NSC 編輯器的“光通量 (Power)”欄中給出了 LED 光源的典型光通量值 (8 lm)。

CAD 模型使用與光源相同的坐標，但坐標未被鏈接。由于 CAD 模型僅用于參考，因此在光線追跡中會將其忽略。您可以在物體屬性中設置 CAD 模型的“Type...Raytrace”，并選擇“Rays Ignore Object = Always”。然而，光線文件中的光線會在 CAD 模型的外部發(fā)出，從而舉例來說，LED 表面散射屬性可能會涉及從二級光學器件向后反射回 LED 光源并再次從 LED 光源向光學器件反向散射的光線。

您現在可以將探測器或任何其他物體添加到示例文件中，并開始運行光線追跡分析。

導入白光 LED 光線文件

由于白光特定的產生原理，OSRAM Opto Semiconductors 白色 LED 光源的光譜具有至少兩個局部極大值。藍光波長范圍中的峰值的寬度較窄，峰值波長約為 450 nm。黃光波長范圍中的峰值的分布更寬，峰值波長約為 540-600 nm，具體取決于 LED 光源類型。

由于光譜的“藍光”和“黃光”部分中光線的角向特征不同，則需要將光線模型分為兩個部分。因此，每個白光 LED 光源都隨附兩個光線文件 - 一個光線文件用于光譜的藍光部分，另一個用于黃光部分。兩個光線文件具有相同的全局坐標原點。這就需要 OpticStudio 中的兩個光源文件物體置于完全相同的 (x,y,z) 坐標。兩個光線文件的光學模擬應同時運行，正如兩個疊加光源的情況那樣。

在本例中，我們將使用“OSCONIQ 1620”GW QBLMA1em 的光線數據。根據 CIE 1931，其為具有典型顏色坐標

Cx = 0.38, Cy = 0.38 的白光 LED 光源。

在上面給出的示例中，必須將光線文件、光譜和 CAD 模型復制到 OpticStudio 物體文件夾適當的子文件夾中。

打開提供的示例文件，NSC 編輯器中將出現三個元件：“藍光”和“黃光”光線文件以及 CAD 模型。所有三個元件都置于相同的坐標點。

系統(tǒng)單位和 CAD 模型的設置與之前的單色 LED 光源示例中的設置相同。下文將討論兩個光源文件物體的設置。對于第一個光源文件物體，可在物體屬性中發(fā)現已鏈接了包含 100000 條光線的藍光光線文件和藍光光譜的顏色塊“OK”。對于第二個光源文件物體，也鏈接了黃光光線文件和光譜的顏色塊“OK”。兩個光源同時發(fā)射并進行模擬。

GW QBLMA1em 的典型光通量為 35 lm。此光通量必須分為藍光和黃光兩個部分。藍光光源和黃光光源之間的光通量比取決于其光譜特征，因此不同色品坐標組的光通量比略微不同。光線文件包中包含了用于不同色品坐標組的典型光譜。每個光譜都分裂為藍光和黃光兩個部分。光通量比需整合光譜的藍光和黃光部分來確定。文檔文件中顯示了三個色品坐標組的典型光通量比。

在本例中，2.09 lm 對應藍光部分，32.91 lm 對應黃光部分，并分別對應于 PDF 中給出的相對光輻通量 0.0596 和 0.9404，其總光通量的典型值為 35 lm。

此過程還可以模擬其他顏色塊對二級透鏡系統(tǒng)等光學器件的光學系統(tǒng)性能的潛在影響。為此，必須按照 PDF 中指定的值更改光通量，同時必須鏈接到相應的光譜。

總結

本文說明了如何訪問和使用 OSRAM Opto Semiconductors 提供的光線文件數據。

有關 OSRAM Opto Semiconductors 光線文件的更多信息，請參閱 OSRAM Opto Semiconductors 網站上編號為 AN086 的應用說明 - “導入 OSRAM Opto Semiconductors LED 的光線文件”

有關 OSRAM Opto Semiconductors LED 的更多信息，請訪問其網站 https://www.osram.com/os/ 上的“Tools & Services ...Tools”下的“LED 信息庫 (LIB)”。