基于tracepro的手电筒光学设计.docx
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基于tracepro的手电筒光学设计.docx
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摘要
摘要
本文介绍了如何使用TracePro光学分析软件来设计及仿真LED手电照明系统,TracePro软件在对实体模型的光学分析上有很大的优势。
介绍了如何使用
TracePro来设计和分析整个LED手电照明系统。
着重的是LED手电光源及其反光杯的设计、仿真及改良。
对整个LED手电照明系统进行仿真,分析其配光曲线和光照度分布图。
使用TracePro软件来进行实体建模,需要注意的是
TracePro只适用于简单的实体建模。
对于复杂的实体模型,需要借助其他的CAD
软件完成,然后导入TracePro中进行光学分析。
通过仿真实验可以达到本次仿真实验的目的。
即LED光源的效率达到
70%。
关键词:
LED,反光杯, 仿真,tracepro
I
Abstract
ThisarticledescribeshowtouseTraceProopticalanalysissoftwaretodesignandsimulateLEDflashlightlightingsystem,TraceProsoftwareonopticalanalysisofsolidmodelhasagreatadvantage.ItdescribeshowtouseTraceProtodesignandanalyzetheentireLEDflashlightlightingsystems.LEDlightsourceisfocusedflashlightandreflectiveglassdesign,simulationandimprovement.LEDflashlightlightingthewholesystemsimulation,analysisofthedistributioncurveandlightintensitydistribution.UseTraceProsoftwareforsolidmodeling,TraceProtonotethatonlyappliestoasimplesolidmodeling.Forcomplexsolidmodels,weneedthehelpofotherCADsoftwaretocomplete,andthenimporttheTraceProopticalanalysis.
Thesimulationresultscanbeattainedinthissimulationexperiment.I.e.theLEDlightsourceefficiencyreaches40lm/wormore.
Keywords:
LEDlightsource,reflector,TracePro
目录
目录
第1章课题整体框架 错误!
未定义书签。
1.1课题任务 错误!
未定义书签。
1.2课题要求 错误!
未定义书签。
1.3研究意义 1
第2章设计方案 3
2.1设计原理 3
2.1.1...................................................................................................................................................3
2.1.2...................................................................................................................................................3
2.2仿真软件简介 4
2.2.1Tracepro简介 4
2.2.2仿真流程图 5
第3章实现功能 6
3.1实现功能描述 6
3.2选型及建模 7
第4章设计与实现 16
4.1设计中遇到的重点与难点 17
4.2实现展示 19
第5章总结 19
参考文献 19
致谢 20
附录 20
注:
“设计中遇到的重点与难点” 可以根据你们论文的具体内容和思路,放在第四章的最开头或者最后。
III
第1章课题整体框架
第1章课题整体框架
1.1课题任务
在本论文中,我们使用TracePro对某一高亮度的警用手电筒进行仿真,按照其光学系统的各部分参数进行实体建模和材料及表面属性的设置,模拟得出其在照明平面上的光照度分布。
我们通过对仿真结果及实际情况的光照度分布进行了比对,并对TracePro的仿真度进行评价。
1.2课题要求
1、根据LED光源芯片的发光模型,利用TracePro进行光学建模,完成LED光源的一次光学设计。
然后,根据实际使用的一个LED光源反光杯的模型进行建模,完成LED光源的二次光学设计。
最后对整个LED照明系统进行光线追迹,对其光照度分布图和坎德拉分布图进行分析。
2、实验测量实际使用的LED照明系统的光强分布,与仿真模拟的光照度分布图做对比,对TracePro的仿真度进行评价。
3、对LED不同对光强分布的影响进行分析研究。
对LED光源反光板的内壁表面属性进行自定义,模拟出表面凹凸的散射效果,并对其光照度分布进行分析。
1.3研究意义
手电筒,简称电筒,是一种手持式电子照明设备,由干电池供电的白炽灯泡和聚焦反射镜组成,外加便于手持的手把式外壳。
但是这种传统的的手电筒中的干电池会对无论是空气还是土地,都有严重的污染,而且随着时代的发展,白炽灯泡的发光效率显然已经落下了步伐。
相比之下,用LED做成的手电筒,不管在环境保护方面,还是在工作效率方面,都有很强的优越性。
1
第2章设计方案
2.1设计原理
2.1.1反光杯的工作原理
光源发出的光线照射到反光杯的反射面上经过反射后,沿着反射的方向传播。
反射曲面实际上是改变光原来的传播方向,使光源发出的光线经反射后能按需求的方向传播,这样反光杯就起到有效利用光能的作用。
图2-1
2.1.2光源的光能空间分布
反光杯是一种反射光线的器件,对于不同的光源,反光杯的曲线也是不同的,因为不同的光源发出的光能在空间的分布是不同,不能用同一个反光杯去套不同的光源。
光源的光能在空间的分布是通过光强或者照度来表示的,可以通过仪器来测定,通过看光源的配光曲线可以大致了解光源光能在空间的分布状况。
光源的配光曲线图。
反射曲线需要通过复杂的计算来控制光线在不同的位置的反射方向以到达要求的光的传播方向.
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2.2光学分析软件的简介
2.2.1TracePro简介[7]
TracePro是一个实体模型的光学分析软件,TracePro用普适光线追迹技术来追迹光线,这种技术允许你引入光线到一个模型,而在物体和表面相交处并没有引起额外的损失。
在每个交点,个体光线遵从吸收、反射、折射、衍射和散射定律。
当光线在实体中沿不同路径传播时,TracePro跟踪没条光线的光通量。
TracePro计算光的吸收、镜面反射及折射、衍射和散射的能量。
下面列出开始一个新的TracePro工程所需要的一些步骤:
(1)创建一个实体模型。
第一步是建立或导入一个几何模型,代表你所希望的分析的系统。
(2)定义属性。
材料和表面属性代表你所希望的物体所具备的特征,如吸收、反射、折射、吸收和散射等。
你可以使用TracePro属性库里面定义好的材料和表面属性,也可以制定新的属性满足你具体的要求。
(3)应用属性。
一旦定义好属性,你可以应用这些属性刀你模型中的合适物件和表面上去。
(4)追迹光线。
通过实体进行光线追踪,需要定义光线起点,有如下几种定义方式:
栅格光源、表面光源和导入已有光源。
如何引入光源到模型以及哪些光线追迹参数会被盗用,须根据实际情况来确定。
(5)分析。
一系列的分析选项可以用来确定方位、区域和光线追迹后的光能量分布。
分析选项有很多种,包括:
辉度图、照度图、坎德拉图和通量图,还有详细光线历史信息,他们可以保存成数据文件,方便后期处理。
3
第3章调试与实现
2.1.2仿真流程图
建立几何模型
设置光学材质
定义光源参数
进行光线追迹
分析模拟结果
第3章 实现功能
3.1 实现功能描述
3.1.1反光杯的设计
反光杯主要用于手电筒聚光用,采用抛物线曲面设计,能更有效的降低光损.,通过电脑建模模拟反光杯光源发光角度及LED反光罩的空间结构,追踪光线的折射轨迹,调整反光罩的曲率技术参数,以达到手电筒反光罩最佳的光强分布及灯杯对各种光束角的功能要求,光源的建立必须以实际光源的发光为基准,这样可以保证设计的反射曲线的准确性。
打开一个新的tracepro文件,首先设计光源,插入一个几何物体作为发光芯片。
接下来是反光杯反光杯模型我们需要计算反光杯的初始参数(及曲率半径,conic光杯口径与深度的关系)。
抛物面最大的物点就是从焦点发射的光线经抛物面反射后平行光轴出去,初始设计都是从抛物面开始。
抛物面矢高方程
z=
r2
2R
这里z表示杯高,r表示杯半口径即y的值,R为半径曲率。
光源的位置决定了光杯后端开口的大小,同样使用公式可计算出后端开口的大小。
在计算过程中,反光杯,透镜尺寸大于10倍光源尺寸,光源可以看成点光源。
抛物线焦点处发出的光线,经过抛物线反光杯是平行光,从透镜焦点处发出的光线,经透镜是平行光线。
1.1选型及建模
1.1.1选型
首先,制作一个手电筒反光杯:
1.打开TracePro软件,在插入(Insert)目录下点击反射镜(Reflector)选项;
2.在弹出的对话框中选择二次曲面(Conic);
3.将形状(Shape)选择为抛物面(Parabolic),数据设置如图3-1所示;
4.设置厚度0.1,开孔半径3.5焦距6,长度8完后点击插入。
图3-1
然后建立一个菲涅尔透镜:
1.在插入(Insert)目录下选择菲涅尔透镜(FresnelLens);
2.在对话框中进行数据设置,如图2所示;
3.设置环距0.1,厚度0.05,外半径15,波长0.5461,物距7,z=7,像距10000000
后,点击插入。
3
4.
图3-2
接着建立一个挡光板,步骤如下:
1.在插入(Insert)目录下点击插入一个几何物件(PrimitiveSolid);
2.在弹出的对话框中进行数据设置,如图3所示;
3.设置主半径3.5,长度0.1,底部位置Z=0.5完毕,点击插入。
图3-3
遮光板建立完毕之后,
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