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LED制造商OSRAM Opto Semiconductors为其支持OpticStudio格式的一系列产品提供了全面的光线追迹数据。本文说明了如何访问和使用这些数据。
作者 Mark Nicholson, Regina Dürr
简介
在大多数光学系统设计中，光源的准确性发挥着重要的作用。光源建模的一种可能方法是使用光线文件。光线文件中通过大量光线来表示发射端光源，且无需对内部组件建模。每条光线由三个起始坐标和三个传播方向坐标以及能量来表示：(x, y, z, l, m, n, F)。
LED制造商OSRAM Opto Semiconductors为其支持OpticStudio格式的一系列产品提供了光线文件。您可以从OSRAM Opto Semiconductors网站上免费下载这些数据。本文将介绍如何在OpticStudio中访问和使用OSRAM Opto Semiconductors提供的光线文件。
下载光线数据
您可以在 OSRAM Opto Semiconductors 主页 (https://www.osram.com/os/)的“工具和服务/应用支持”菜单中找到光线文件。选定“光学模拟 (Optical Simulation)/光线文件 (Ray Files)/打包 CAD 数据 (Package CAD Data)”链接,将转到标签为“光学模拟 (Optical Simulation)”的页面，其中包含“IR”和“LED”两个子文件夹。点击以下链接可直接访问此页面：https://www.osram.com/os/applications/optical-simulation-ray-files-package-cad-data/index.jsp。子文件夹中列出了各自应用领域的不同产品类型。选择感兴趣的组之后，会显示独立的LED名称，这些名称依次对应各个光线文件的链接。
图 1 包含光学模拟数据的 OSRAM Opto Semiconductors 网站。
在本例中，我们将下载“OSCONIQ P2226”GB_DASPA2_13数据。光线文件有多种数据格式。点击兼容OpticStudio格式的光线文件的链接。下一步，阅读并同意免责声明，然后将文件保存到您的计算机中。
图 2 下载 OpticStudio 格式的所需产品的光线文件。
这些光线文件仅作为示例，表明此LED类型光源的典型发光特征。因此，这些光线文件不能保证已交付的LED和光线文件包中所示光源具有完全相同的发光特征。
光线数据包的内容
数据被压缩为 zip 文件格式。其中包含具有不同光线数量的光线文件、一个CAD模型、LED光谱、一个OpticStudio（文件扩展名为 .zmx）示例文件和一个介绍文档文件。
光线文件有三种不同数量的光线：100000、500000和5000000条光线。文件格式为适用于OpticStudio的二进制数据格式，文件扩展名为 .DAT。光线文件中的光线随机排序。所有光线的起始点略高于LED的外壳表面。如果不是有意为之，则需要在空白处指定光线的起始点。
CAD模型有三种不同的格式：STEP、IGS 和 SLDPRT。它仅占据机械设计的预留位置，不用于光学光线追迹的计算。CAD模型和光线文件始终使用相同的坐标系。
其中至少包含一个辐射度颜色光谱的SPCD文件。SPCD文件是用于OpticStudio中光谱数据的特定格式，文件格式为是文本格式，可在任何文本编辑器中查看和编辑。
PDF格式的信息文件说明了文件光线的位置。此文件包含一份嵌套了 (x,y,z) 轴坐标系统的LED机械绘图，其表明了 LED 光源相对于原始坐标系的方向和位置。文档文件还包含与特定光线文件的“虚焦点”有关的信息。对于OSRAM Opto Semiconductors的光线文件，此“虚焦点”被定义为3D空间中所有光线集中的光线光强加权求和最小距离的点。其相对于之前提到的坐标系的坐标已给出。
此外，数据包中含有一个OpticStudio示例文件，给出推荐设置，并介绍了光线文件和CAD模型的校准。以下内容指导如何使用OpticStudio镜头文件的示例。
图 3 OpticStudio (Zemax) 光线文件包的内容。
导入单色 LED 光线文件
在本例中，我们使用“OSCONIQ P2226”GB_DASPA2 的光线数据。其为单色LED光源，光谱中心位于大约465 nm 处，光谱宽度约为23 nm。
OpticStudio示例文件（名为 *_sample_Zemax.zmx）包括 CAD 模型和位于全局原点的光线文件。它包含所有推荐设置，并给出易于光学光线追迹计算的起始点。因此，我们只需要复制OpticStudio某些数据文件夹中的必要文件并打开示例文件。我们接下来将进行此操作并审查文件中的设置。
启动OpticStudio，选择“Setup...Project Preferences”并点击OpticStudio中物体目录的位置。
图 4 OpticStudio 数据文件夹。
将光线数据包中的光线文件（名为 rayfile_*_Zemax.DAT）复制到 OpticStudio 物体目录中的“Sources\Source Files”子目录中，并将光谱文件（名为 *_spectrum.spcd）复制到“Sources\Spectrum Files”子目录中。示例文件使用STEP格式的CAD模型，因此必须将光线文件包中的STEP文件复制到 OpticStudio 物体目录的“CAD Files”子目录中。
现在打开OpticStudio示例镜头文件。如果所有文件已复制到正确的子文件夹中，则打开示例文件时不会出现任何错误消息。
非序列元件编辑器 (NSCE) 显示两个元件 - 光源文件和CAD模型。两者位于相同的位置，确保两个元件相互正确校准。
图 5 OpticStudio 示例文件的非序列元件编辑器。
以下是NSC实体模型查看器中显示的两个对象的3D几何图形。光线在靠近CAD模型的外壳处发出。
图 6 光线文件和CAD模型的NSC实体模型视图。
在系统资源管理器中，单位设置为“流明 (Lumen)”和“毫米 (mm)”。如果不存在刻意修改，则pdf文档中的OSRAM Opto Semiconductors光线文件中的单位设为“毫米”。GB DASPA2 的光通量以“流明 (Lumen)”为单位进行测量，所以我们选择该单位用于此次模拟。因此，测量光照度的单位是 lm/m2 或“勒克司 (Lux)”。测量发光强度的单位是“流明 (Lumen)/球面度 (Steradian)”或“坎德拉 (Cd)”。测量亮度的单位是lm/m2/sr或Cd/m2，该单位有时称为“尼特 (Nit)”。
图 7 在系统选项中审查系统单位。
光源文件物体位于全局坐标系的中心，链接到具有5000000条光线的光线文件，并将光通量设置为LED的典型值。点击光源文件的物体属性，您将找到链接的光线文件和光谱。
图 8 在光源的物体属性中指定的光线文件和光谱文件。
NSC编辑器的“光通量 (Power)”栏中给出了LED光源的典型光通量值 (8 lm)。
图 9 在NSC编辑器的光通量栏中设置LED光源的典型光通量值。
CAD模型使用与光源相同的坐标，但坐标未被链接。由于CAD模型仅用于参考，因此在光线追迹中会将其忽略。您可以在物体属性中设置CAD模型的“Type...Raytrace”，并选择“Rays Ignore Object = Always”。然而，光线文件中的光线会在CAD模型的外部发出，从而举例来说，LED表面散射属性可能会涉及从二级光学器件向后反射回LED光源并再次从LED光源向光学器件反向散射的光线。
图 10 CAD模型的物体属性。
您现在可以将探测器或任何其他物体添加到示例文件中，并开始运行光线追迹分析。
导入白光 LED 光线文件
由于白光特定的产生原理，OSRAM Opto Semiconductors白色LED光源的光谱具有至少两个局部极大值。蓝光波长范围中的峰值的宽度较窄，峰值波长约为450 nm。黄光波长范围中的峰值的分布更宽，峰值波长约为540-600 nm，具体取决于LED光源类型。
图 11 白光OSRAM LED光源的典型辐射光谱。
由于光谱的“蓝光”和“黄光”部分中光线的角向特征不同，则需要将光线模型分为两个部分。因此，每个白光LED光源都随附两个光线文件 - 一个光线文件用于光谱的蓝光部分，另一个用于黄光部分。两个光线文件具有相同的全局坐标原点。这就需要OpticStudio中的两个光源文件物体置于完全相同的 (x,y,z) 坐标。两个光线文件的光学模拟应同时运行，正如两个叠加光源的情况那样。
在本例中，我们将使用“OSCONIQ 1620”GW QBLMA1em 的光线数据。根据CIE 1931，其为具有典型颜色坐标
Cx = 0.38, Cy = 0.38 的白光LED光源。
在上面给出的示例中，必须将光线文件、光谱和CAD模型复制到OpticStudio物体文件夹适当的子文件夹中。
打开提供的示例文件，NSC编辑器中将出现三个元件：“蓝光”和“黄光”光线文件以及CAD模型。所有三个元件都置于相同的坐标点。
图 12 白光LED光源的非序列元件编辑器。
系统单位和CAD模型的设置与之前的单色LED光源示例中的设置相同。下文将讨论两个光源文件物体的设置。对于第一个光源文件物体，可在物体属性中发现已链接了包含100000条光线的蓝光光线文件和蓝光光谱的颜色块“OK”。对于第二个光源文件物体，也链接了黄光光线文件和光谱的颜色块“OK”。两个光源同时发射并进行模拟。
GW QBLMA1em的典型光通量为35 lm。此光通量必须分为蓝光和黄光两个部分。蓝光光源和黄光光源之间的光通量比取决于其光谱特征，因此不同色品坐标组的光通量比略微不同。光线文件包中包含了用于不同色品坐标组的典型光谱。每个光谱都分裂为蓝光和黄光两个部分。光通量比需整合光谱的蓝光和黄光部分来确定。文档文件中显示了三个色品坐标组的典型光通量比。
图 13 光线文件文档中给出的不同色品坐标组的光通量比。
在本例中，2.09 lm对应蓝光部分，32.91 lm对应黄光部分，并分别对应于PDF中给出的相对光辐通量0.0596 和0.9404，其总光通量的典型值为35 lm。
图 14 在NSC编辑器的光通量栏中设置蓝光和黄光光线文件的光通量。
此过程还可以模拟其他颜色块对二级透镜系统等光学器件的光学系统性能的潜在影响。为此，必须按照 PDF 中指定的值更改光通量，同时必须链接到相应的光谱。
KA-01356