光學(xué)設(shè)計(jì)中，光源的作用不言而喻，能夠準(zhǔn)確地建模仿真光源對(duì) OpticStudio 模擬整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)至關(guān)重要。已經(jīng)有前人為了 OpticStudio 的仿真做了相關(guān)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(shù)據(jù)

概述

在大多數(shù)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，光源的準(zhǔn)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(duì)內(nèi)部組件建模。每條光線由三個(gè)起始坐標(biāo)和三個(gè)傳播方向坐標(biāo)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(chǎn)品提供了光線文件。您可以從 OSRAM Opto Semiconductors 網(wǎng)站上免費(fèi)下載這些數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)

您可以在 OSRAM Opto Semiconductors 主頁 (https://www.osram.com/os/) 的“工具和服務(wù)/應(yīng)用支持”菜單中找到光線文件。選定“光學(xué)模擬 (Optical Simulation)/光線文件 (Ray Files)/打包 CAD 數(shù)據(jù) (Package CAD Data)”鏈接,將轉(zhuǎn)到標(biāo)簽為“光學(xué)模擬 (Optical Simulation)”的頁面，其中包含“IR”和“LED”兩個(gè)子文件夾。點(diǎn)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(yīng)用領(lǐng)域的不同產(chǎn)品類型。選擇感興趣的組之后，會(huì)顯示獨(dú)立的 LED 名稱，這些名稱依次對(duì)應(yīng)各個(gè)光線文件的鏈接。

在本例中，我們將下載“OSCONIQ P2226”GB_DASPA2_13 數(shù)據(jù)。光線文件有多種數(shù)據(jù)格式。點(diǎn)擊兼容 OpticStudio 格式的光線文件的鏈接。下一步，閱讀并同意免責(zé)聲明，然后將文件保存到您的計(jì)算機(jī)中。

使用評(píng)價(jià)函數(shù)編輯器中的默認(rèn)評(píng)價(jià)函數(shù)工具構(gòu)建 RMS 波前優(yōu)化默認(rèn)評(píng)價(jià)函數(shù)。

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(shù)據(jù)包的內(nèi)容

數(shù)據(jù)被壓縮為 zip 文件格式。其中包含具有不同光線數(shù)量的光線文件、一個(gè) CAD 模型、LED 光譜、一個(gè) OpticStudio（文件擴(kuò)展名為 .zmx）示例文件和一個(gè)介紹文檔文件。

光線文件有三種不同數(shù)量的光線：100000、500000 和 5000000 條光線。文件格式為適用于 OpticStudio 的二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式，文件擴(kuò)展名為 .DAT。光線文件中的光線隨機(jī)排序。所有光線的起始點(diǎn)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(diǎn)。

CAD 模型有三種不同的格式：STEP、IGS 和 SLDPRT。它僅占據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的預(yù)留位置，不用于光學(xué)光線追跡的計(jì)算。CAD 模型和光線文件始終使用相同的坐標(biāo)系

其中至少包含一個(gè)輻射度顏色光譜的 SPCD 文件。SPCD 文件是用于 OpticStudio 中光譜數(shù)據(jù)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(biāo)系統(tǒng)的 LED 機(jī)械繪圖，其表明了 LED 光源相對(duì)于原始坐標(biāo)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(diǎn)”有關(guān)的信息。對(duì)于 OSRAM Opto Semiconductors 的光線文件，此“虛焦點(diǎn)”被定義為 3D 空間中所有光線集中的光線光強(qiáng)加權(quán)求和最小距離的點(diǎn)。其相對(duì)于之前提到的坐標(biāo)系的坐標(biāo)已給出。

此外，數(shù)據(jù)包中含有一個(gè) OpticStudio 示例文件，給出推薦設(shè)置，并介紹了光線文件和 CAD 模型的校準(zhǔn)。以下內(nèi)容指導(dǎo)如何使用 OpticStudio 鏡頭文件的示例。

導(dǎo)入單色 LED 光線文件

在本例中，我們使用“OSCONIQ P2226”GB_DASPA2 的光線數(shù)據(jù)。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(diǎn)的光線文件。它包含所有推薦設(shè)置，并給出易于光學(xué)光線追跡計(jì)算的起始點(diǎn)。因此，我們只需要復(fù)制 OpticStudio 某些數(shù)據(jù)文件夾中的必要文件并打開示例文件。我們接下來將進(jìn)行此操作并審查文件中的設(shè)置。

啟動(dòng) OpticStudio，選擇“Setup...Project Preferences”并點(diǎn)擊 OpticStudio 中物體目錄的位置。

將光線數(shù)據(jù)包中的光線文件（名為 rayfile_*_Zemax.DAT）復(fù)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(fù)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(fù)制到 OpticStudio 物體目錄的“CAD Files”子目錄中。

現(xiàn)在打開 OpticStudio 示例鏡頭文件。如果所有文件已復(fù)制到正確的子文件夾中，則打開示例文件時(shí)不會(huì)出現(xiàn)任何錯(cuò)誤消息

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

以下是 NSC 實(shí)體模型查看器中顯示的兩個(gè)對(duì)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(shè)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(shè)為“毫米”。GB DASPA2 的光通量以“流明 (Lumen)”為單位進(jìn)行測(cè)量，所以我們選擇該單位用于此次模擬。因此，測(cè)量光照度的單位是 lm/m2 或“勒克司 (Lux)”。測(cè)量發(fā)光強(qiáng)度的單位是“流明 (Lumen)/球面度 (Steradian)”或“坎德拉 (Cd)”。測(cè)量亮度的單位是 lm/m2/sr 或 Cd/m2，該單位有時(shí)稱為“尼特 (Nit)”。

光源文件物體位于全局坐標(biāo)系的中心，鏈接到具有 5000000 條光線的光線文件，并將光通量設(shè)置為 LED 的典型值。點(diǎn)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(biāo)，但坐標(biāo)未被鏈接。由于 CAD 模型僅用于參考，因此在光線追跡中會(huì)將其忽略。您可以在物體屬性中設(shè)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(huì)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(huì)涉及從二級(jí)光學(xué)器件向后反射回 LED 光源并再次從 LED 光源向光學(xué)器件反向散射的光線。

您現(xiàn)在可以將探測(cè)器或任何其他物體添加到示例文件中，并開始運(yùn)行光線追跡分析。

導(dǎo)入白光 LED 光線文件

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

由于光譜的“藍(lán)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(gè)部分。因此，每個(gè)白光 LED 光源都隨附兩個(gè)光線文件 - 一個(gè)光線文件用于光譜的藍(lán)光部分，另一個(gè)用于黃光部分。兩個(gè)光線文件具有相同的全局坐標(biāo)原點(diǎn)。這就需要 OpticStudio 中的兩個(gè)光源文件物體置于完全相同的 (x,y,z) 坐標(biāo)。兩個(gè)光線文件的光學(xué)模擬應(yīng)同時(shí)運(yùn)行，正如兩個(gè)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(shù)據(jù)。根據(jù) CIE 1931，其為具有典型顏色坐標(biāo)

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(fù)制到 OpticStudio 物體文件夾適當(dāng)?shù)淖游募A中。

打開提供的示例文件，NSC 編輯器中將出現(xiàn)三個(gè)元件：“藍(lán)光”和“黃光”光線文件以及 CAD 模型。所有三個(gè)元件都置于相同的坐標(biāo)點(diǎn)。

系統(tǒng)單位和 CAD 模型的設(shè)置與之前的單色 LED 光源示例中的設(shè)置相同。下文將討論兩個(gè)光源文件物體的設(shè)置。對(duì)于第一個(gè)光源文件物體，可在物體屬性中發(fā)現(xiàn)已鏈接了包含 100000 條光線的藍(lán)光光線文件和藍(lán)光光譜的顏色塊“OK”。對(duì)于第二個(gè)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(gè)光源同時(shí)發(fā)射并進(jìn)行模擬。

GW QBLMA1em 的典型光通量為 35 lm。此光通量必須分為藍(lán)光和黃光兩個(gè)部分。藍(lán)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(biāo)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(biāo)組的典型光譜。每個(gè)光譜都分裂為藍(lán)光和黃光兩個(gè)部分。光通量比需整合光譜的藍(lán)光和黃光部分來確定。文檔文件中顯示了三個(gè)色品坐標(biāo)組的典型光通量比。

在本例中，2.09 lm 對(duì)應(yīng)藍(lán)光部分，32.91 lm 對(duì)應(yīng)黃光部分，并分別對(duì)應(yīng)于 PDF 中給出的相對(duì)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(duì)二級(jí)透鏡系統(tǒng)等光學(xué)器件的光學(xué)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(shí)必須鏈接到相應(yīng)的光譜。

總結(jié)

本文說明了如何訪問和使用 OSRAM Opto Semiconductors 提供的光線文件數(shù)據(jù)。

有關(guān) OSRAM Opto Semiconductors 光線文件的更多信息，請(qǐng)參閱 OSRAM Opto Semiconductors 網(wǎng)站上編號(hào)為 AN086 的應(yīng)用說明 - “導(dǎo)入 OSRAM Opto Semiconductors LED 的光線文件”

有關(guān) OSRAM Opto Semiconductors LED 的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問其網(wǎng)站 https://www.osram.com/os/ 上的“Tools & Services ...Tools”下的“LED 信息庫 (LIB)”。