本應用說明介紹了兩種模擬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，允許光學和機械元件的快速集成。

 一些LED廠商網(wǎng)上提供CAD文件，如Cree，OSRAM，Philips Lumileds，Bridgelux。

 光線文件導入

 可以將光線文件可以動態(tài)地加載到FRED的光源定義中。

 一些LED廠商網(wǎng)上提供光線文件，如Cree，OSRAM，Philips Lumileds，Bridgelux。

 數(shù)字化工具

 數(shù)據(jù)表產生的數(shù)據(jù)圖光譜（曲線）圖可以被數(shù)字化，并用于生成光源波長。

 數(shù)據(jù)表產生的角分布曲線可以被數(shù)字化，并用于光源能量切趾。•

 2-D機械圖紙可以被數(shù)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，從而與廠商的規(guī)格對比進行模型驗證。

 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(shù)據(jù)（例如RGB值和色度坐標），也提供彩色圖像分布的視覺效果情景圖。

 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(tǒng)的可視化演示中。

FRED中的實際案例：創(chuàng)建LED模型

越來越多的LED廠商提供在其網(wǎng)站上的提供了CAD模型和光線文件（Cree,，OSRAM，Philips Lumileds和Bridgelux ）。第一種方法描述了使用CAD幾何體和光線文件導入和創(chuàng)建LED模型。第二種方法描述僅使用數(shù)據(jù)表說明來建LED模型。整個例子使用的是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導入對話框包含的選項如給曲面和曲線隨機分配顏色，創(chuàng)造和獨立繪制曲線，將模型以陰影曲面或線框的形式顯示，并分配默認的光線追跡控制集。圖1顯示導入的線框形式的LUXEON Rebel LED的CAD幾何體。注意，CAD幾何體設置為“不可追跡”，這意味著它不能在光線追跡中使用。它作為一個參考物，使得LED模型相對于系統(tǒng)中的其它元素處于正確的位置。

2、導入光線文件

可以將光線文件直接加載到Detailed Source的“Positions/Directions（位置/方向）”標簽中，如2圖所示。在FRED中支持的光線文件格式有：FRED緊湊型光線集（* .fcr）；ASAP分布文件（*.dis）；ProSource二進制格式支持從Zemax、OPTICAD和TracePro中導出的文件；支持LightTools和TracePro的ASCII /Text格式；LucidShape二進制文件。FRED允許用戶決定是使用光線文件中的所有光線或是用戶指定的子集。顯然，所使用的光線越多，該模型越準確。然而，必須找到速度和光線數(shù)目之間的平衡點。通常在使用大量光線進行全部的光線追跡之前先使用一個較小的子集進行測試。

3、設置正確的功率和單位

取決于導入的光線文件的格式，F(xiàn)RED可以讀取并為LED光源分配一個功率值，在彈出的窗口中顯示功率的設置。可以查詢LED數(shù)據(jù)表來驗證該值，因為廠商通常會針對不同功率的LED提供單個光線文件。如果光線文件中沒有指明功率大小，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。

4、數(shù)字化光譜

FRED有一個易于使用的數(shù)字化工具，它可以從一張BMP或JPEG格式的圖中提取光譜數(shù)據(jù)點，如圖4所示。數(shù)字化的光譜可以被分配給光源。每個FRED文檔都有專門用于創(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。采樣的光譜類型是數(shù)字化光譜的一個合適選擇。

5、模型驗證

FRED極坐標網(wǎng)格計算的強度與數(shù)據(jù)表提供的角分布結果對比，可用于驗證LED模型。FRED中Directional Analysis Entity（直接分析實體）可以用來分析。該DAE是專為光線過濾、計算和在球形極坐標網(wǎng)格上顯示光強數(shù)據(jù)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。

方法2：僅僅使用數(shù)據(jù)表

1、創(chuàng)建光源

創(chuàng)建一個新的Detailed Source，將光線位置設置為“Random Pane（任意平面）（一個平面上隨機排列的點）”，以避免光線結構產生影響。輸入所需的光線數(shù)目并使用Isotropic（各向同性）角分布將光線方向指定為“一定角度范圍內隨機進入”。角度分布圖將被用于定義光線的方向（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輻射方向模型，所以應使用小的光線網(wǎng)格（在遠場中發(fā)射器近似為一個點光源）。

2、設置正確的功率和數(shù)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(shù)字化的角分布作為功率切趾

就像可以為光源分配數(shù)字化光譜一樣，也可以為定向功率切趾分配數(shù)字化角分布來模擬LED的角度擴散。線性和極坐標圖都可以被數(shù)字化。圖6示出的一個極坐標切趾圖的數(shù)字化。簡單的LED燈模型是通過這一步完成的。

這兩種方法的比較

通過計算距LED模型多個距離平面上的照度分布，來比較上述的兩種方法，如圖7所示。兩個模型用5000000條光線進行了仿真，分布看起來非常相似，主要區(qū)別在于光線文件模型具有較低的輻照度。模型使用不同光線集時變化較小。注意，即使距離光源2mm，屬于近場區(qū)域范圍，輻照分布也非常相似。

圖7.距離光源2、4、8、16毫米時的照度分布。在模擬仿真中使用了5M條光線。處于每個距離的兩幅圖像有相同的規(guī)格。

專注于FRED的一個工具：彩色圖像

FRED有一個分析工具，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波長，并合成相應的顏色。圖8顯示出了四個不同顏色的LED燈透過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。

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，中間是一個圓形的鍵合焊盤。這是幾個關鍵內部結構的建模的一個例子，表示了近場模式的相關方面。準直透鏡置于發(fā)射器的前焦點，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)常會出現(xiàn)的情況，有兩種解決辦法：移動透鏡或使用非成像光學器件。將透鏡移動到離LED更遠的地方，改變發(fā)射器的焦點，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。非成像光學器件，例如一個收集器或反射器，也可用于引導光線，而無需創(chuàng)建不需要的結構。