asap在燈具設(shè)計中的應(yīng)用

asap在燈具設(shè)計中的應(yīng)用

asap是一家商業(yè)軟件公司（broalreceive）。它具有強大的機械仿真功能,可以模擬幾乎所有的三維幾何模型;具有很好的互動性,可以讓用戶在制作原型系統(tǒng)或者大批量生產(chǎn)前做光學(xué)系統(tǒng)的仿真;它應(yīng)用優(yōu)化的蒙特卡羅方法進行非序列性的光線追跡,即光線可以不按次序、不計次數(shù)的經(jīng)過各個面,比傳統(tǒng)的光線追跡方法而言更快速準(zhǔn)確,可以在短時間內(nèi)進行數(shù)百萬條光線的計算分析;同時ASAP可以和其他很多軟件共同使用,通過特定的轉(zhuǎn)換功能來共享圖形或者數(shù)據(jù)文件,這些軟件包括ZMAX、OSLO、AUTOCAD等;尤其在ASAP中,用戶不但可以通過GUI(GuideUserInterface)來定義一些簡單的幾何體和光源,還可以通過編寫類似與BASIC語言的指令代碼來定義較復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)。由于ASAP的仿真效果好,光線追跡速度快而且準(zhǔn)確,模擬的功能強大,兼容性比較高,所以在非成像照明、投影顯示、成像等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛,引起了越來越多的設(shè)計人員的重視,但是ASAP中涉及到很多幾何光學(xué)、物理光學(xué)以及數(shù)學(xué)等方面的基礎(chǔ)知識等,所以為了能熟練的掌握ASAP的應(yīng)用,必須對它有更深入的了解。另一方面,隨著LED技術(shù)的飛速發(fā)展,LED光源的應(yīng)該愈來愈廣泛,從顯示領(lǐng)域逐漸擴展到照明領(lǐng)域,LED照明燈具的設(shè)計也受到光學(xué)設(shè)計人員的重視?；诖?本文首先對ASAP中所涉及的部分理論知識,包括幾何光學(xué)、物理光學(xué)、數(shù)學(xué)等方面做了概括;然后介紹了ASAP中從幾何體的構(gòu)建、光源的模擬、光線的追跡到分析結(jié)果的輸出等一系列功能;最后通過一個運用ASAP進行LED照明燈具仿真設(shè)計的例子,闡明了運用ASAP進行設(shè)計和分析這一方法的優(yōu)點和便捷,使用戶對于它的各種功能有更深入的了解。1asap計算機模擬1.1對光照的模擬模擬光學(xué)系統(tǒng)首先要構(gòu)建出系統(tǒng)的立體圖形,在ASAP中有很多種方法可以實現(xiàn)此功能。一種是通過和RhinocerosCAD(ComputerAidedDesign)軟件結(jié)合使用,由于它們都支持IEGS(InitialGraphicsExchangeSpecification)格式,所以在CAD中系統(tǒng)模型用NURB(Non-UniformRationalB-Spline)曲面來數(shù)學(xué)描述,再輸入到ASAP中用Bezier曲線來描述;也可以在ASAP中通過GUI(GuideUserInterface)來定義簡單的線或者面,而復(fù)雜的幾何體必須通過ASAP中類似于Basic語言的強大的指令集來編程定義。在ASAP中可以通過它本身自帶的lightSouceLibrary來模擬一般的光源,對于特殊光源的定義可以采取如下的辦法:第一種是通過模擬光源的具體幾何形狀然后附加光源的特性參數(shù):在CAD里先定義幾何體,然后通過IEGS格式轉(zhuǎn)換到ASAP中,而光源的特性參數(shù)包括封裝材料的折射率、厚度、吸收系數(shù)等,這些特性可以通過ASAP的GUI和指令集來定義;第二種是把發(fā)光體的二維發(fā)光圖形(BMP格式)輸入到ASAP中,轉(zhuǎn)換為DIS格式的文件,再經(jīng)過Abel反變換為光源發(fā)光三維立體分布文件;第三種是直接在ASAP中通過已經(jīng)測得的光源的光強分布來定義:可以定義整個發(fā)光體,定義光線數(shù)以及每個光線的起始位置、方向、每個光線代表的光通量大小或者每單位立體角內(nèi)的光線數(shù)量、光源的發(fā)散角度,因為測量的是光源經(jīng)過封裝的折射、反射、吸收后出射光的光強分布,所以不需要再單獨定義幾何體。1.2散射面t和反射率r和透射率tt光線追跡是追跡通過三維物理模型的光線,光線的傳播路線是由幾何體形狀、物體材料和光線經(jīng)過的面的光學(xué)性質(zhì)(反射、折射、散射、衍射、吸收等)所決定。光線在界面上的反射遵循折、反射定律,對于相干光分別定義s和p偏振的吸收和反射系數(shù),應(yīng)用于非成像照明的光源一般定義為非相干光。光線在界面上遵循菲涅爾定律,從而可以計算出折、反射的光通量和光線的方向以及界面上的反射率R和透射率T。散射面的定義是建立在BRDF(Bidirectionalreflectancedistributionfunction)基礎(chǔ)上,其中BSDF是描述光如何從一個面上散射,是關(guān)于入射角的函數(shù)。而TIS(TotalIntegratedScatter)表示散射到半球面內(nèi)的光通量與入射的全部光通量之比。如圖1,對于光滑的面而言:衍射模型是建立在Huygens-Fresnel原理的基礎(chǔ)上,遠(yuǎn)場遵循Fraunhofer衍射理論,近場遵循Fresnel衍射理論。根據(jù)光通量守恒,在考慮吸收率A的情況下有:在光線追跡中運用蒙特卡羅方法,它是一種數(shù)值分析方法,即隨機選取光線位置、方向作為樣本,隨機的折射、散射、衍射,增多樣本數(shù)量可以提高光線追跡結(jié)果的準(zhǔn)確性。在進行折、反射光線追跡時候選取反射率R和透射率T作為隨機變量,在進行散射光線追跡的時候選取TIS作為隨機變量。在ASAP中可以得到一般的分析結(jié)果,例如模型立體圖,光強、光通量的空間分布,以及在探測屏上的光照度分布,同時可以記錄入射到任一面上的光通量和被散射光線的光通量。通過改變各個參數(shù)的設(shè)置來改變結(jié)果輸出,不斷的模擬,最終可以達到要求。2設(shè)計戶外設(shè)備根據(jù)以上步驟,以一個針對LED燈具設(shè)計的例子來更詳細(xì)直觀的說明如何在ASAP中進行光學(xué)系統(tǒng)的模擬和設(shè)計。2.1兩面元面元c單只LED的光能量小,亮度低,無法單獨使用,因此為了達到照明的要求,一般由多個發(fā)光二極管組合在一起形成點光源或者面光源以及體光源,所以為了確定光源必須確定光源中包含的LED的個數(shù)。首先根據(jù)被照面上光通量的分布來計算總的光通量。把被照面的接受屏劃分為n小塊,假設(shè)屏上第i塊面元法線方向上的光強為Ii,根據(jù)光強的定義:在給定方向單位立體角內(nèi)的光通量大小,則此面元接收到的光通量可以用IiΔΩi來表示,其中ΔΩi是第i塊面元對應(yīng)的足夠小的立體角,故接收屏上總的光通量為:其中Hi+12Ηi+12、Hi?12Ηi-12、Vi+12Vi+12、Vi?12Vi-12是第i塊面元的水平角和垂直角的邊界。如果反射器件的反射率為R,則理想狀態(tài)下由光源發(fā)出的總光通量為ΦTotal=Φsource/R。單個LED的光通量可以根據(jù)球帶光通量的總和來確定,在一定球帶內(nèi)發(fā)射的光通量等于球帶內(nèi)的平均光強乘以該球帶對LED所構(gòu)成的立體角。如圖2所示的平面角δθ對應(yīng)的立體角等于球帶的面積除以球半徑的平方:對于從θ1到θ2的球帶,其立體角球帶內(nèi)的光強平均值可由光強分布曲線,如圖3來估計,也可以根據(jù)函數(shù)平均值定理直接計算,得到在從θ1到θ2的球帶內(nèi)的光強平均值:則在此球帶內(nèi)的球帶光通量:由于LED在空間的光強分布一般是軸對稱的,故單個LED的光通量為:其中Ij是第j個球帶內(nèi)的平均光強,θj1、θj2是第j個球帶區(qū)域的上下邊界,按等角度法來分割球帶,則n=n=π/2θj2?θj1n=n=π/2θj2-θj1表示球帶數(shù)目,(θj2-θj1)代表每個球帶的度數(shù),則所需要的LED大概個數(shù):N=ΦTotal/Φσ。2.2逐點計算法照度的計算方法通常有:利用系數(shù)法、概算曲線法、比率法和逐點計算法,在LED的照明設(shè)計中,通常采用的是逐點計算法。逐點計算法是指逐一計算每個LED對照度計算點的照度,然后進行疊加,得到其總照度的計算方法。當(dāng)光源的最大尺寸不超過光源至被照平面間的最小距離的五分之一時,就可以將此光源看作“點光源”,如圖4,按照逐點計算法來計算照度:其中:E為照度計算點的水平照度;lα為光源在照度計算點方向的發(fā)光強度;cosα為光源至照度計算點的連線與光源至照度計算平面的垂線之間夾角的余弦;l為光源至照度計算點的距離。逐點計算法可計算任一傾斜面上的照度,但是只計算光源的直射照度(不含反射光通引起的照度),因此適用于帶反射罩的燈具。2.3光強分布曲線利用以上所闡述的方法和步驟,確定本設(shè)計中的光源包含四個LED,要求最后出射光接近平行光。通過在ASAP中定義LED芯片的位置、發(fā)光角度、光強分布來模擬光源,通過測量燈具實際的物理尺寸來定義幾何體。即采用上面的第一種方法來模擬光源。圖5是未加反射鏡前的模型圖,四個LED芯片的半發(fā)散角均為30°,并且分別被置于如圖5所示的長方體的四個側(cè)面上。圖6表示放置在反光碗內(nèi)的模型。在ASAP中對所有的光線進行蒙特卡羅追跡,并根據(jù)追跡結(jié)果模擬出被照面上的相對光強分布曲線,如圖7所示,虛線表示對該照明器件實際測得的相對光強分布曲線,兩條曲線基本吻合。由模擬曲線可以得出本設(shè)計的半視角約為22°,實際測得的約20°。圖8為在ASAP中模擬得到的光通量分布曲線,表示90%的光通量分布在以光軸為中心,頂角為22°的圓錐體內(nèi)。對于一般的照明器件,其光度數(shù)據(jù)通常須以照度分布的形式在離開照明器較遠(yuǎn)的指定平面上體現(xiàn)出來。本例中根據(jù)實際測得的光強,利用上文提到的逐點計算法得出,計算得到被照面上的相對光照度分布曲線如圖8中虛線所示,在ASAP中模擬得到的相同條件下被照面上的相對光照度分布曲線如圖8中實線所示。如圖9為隨機選取的20條光線的追跡圖。為了使光線以近似于平行光的形式出射到被照射面上,在ASAP中通過修改反光碗焦距、球面凸透鏡焦距、圓柱形透鏡、光源位置等參數(shù)來重新模擬此系統(tǒng),同樣隨機選取20條光線進行追跡,追跡結(jié)果如圖10所示。修改后的系統(tǒng)相對光強分布曲線如圖11所示,半視角約為3°,表示光線基本以平行光出射,相對光照度分布曲線如圖12所示,修改后的系統(tǒng)照度分布相對更加均勻和集中。由以上分析結(jié)果可以看出,在一般照明設(shè)計的理論基礎(chǔ)上,通過定義光強分布和發(fā)光體幾何形狀在ASAP中模擬光源,通過大量光線的蒙特卡羅追跡結(jié)果可以得到光強、光通量和光照度等相關(guān)的分布曲線。通過改變設(shè)計的參數(shù)例如凸透鏡的焦距、反光碗的焦距和位置、光源放置的