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内 容 简 介

本书以美国 Lambda Research Corporation 的最新 3.24 版本为蓝本进行编写, 内容涵盖了 tracepro3.24 光学仿真设计的概念、tracepro 软件的配置和用户定制、光 学元件模型的创建、描光、分析等内容。 本书章节的安排次序采用由浅入深,前后呼应的教学原则,在内容安排上,为方 便读者更快、更深入地理解 tracepro 软件中的一些相关概念、命令和功能,并对运用 该软件进行光学仿真设计的过程有一个全局的了解,本书中介绍了单片 LCD 投影机 的仿真设计全过程,同时在本书的最后一章详细介绍了背光源等光学仿真设计过程, 增强了本书的可读性和实用性,摆脱单个概念、命令、功能的枯燥讲解和介绍。 本书可作为光学专业人员的自学教程和参考书籍, 也可作为大专院校光学、 光电专业 的学生学习 tracepro 的使用教材。

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Tracepro 是一套可以做照明光学系统分析、传统光学分析,辐射度以及光度分析 的软件, 它也是第一套由符合工业标准的 ACIS 立体模型绘图软件发展出来的光机软 件。 功能强大的 Tracepro 减轻了光学设计人员的劳动强度,节约了大量的人力资源, 缩短了设计周期,还可以开发出更多质量更高的光学产品。但目前 Tracepro 学习教 程甚少, 不少初学者苦于无参考学习资料而举步为艰。 本人根据从事光学设计的经验 与运用 Tracepro 的体会,汇集成书,目的是使 Tracepro 的初学人员能快速入门,快 速见效,使已入门者能进一步提高 Tracepro 的应用水平和操作能力,从而在工作中 发挥更大的效益,为中国的光学事业作出贡献! 本书乃仓促而成,虽然几经校对,但错误之处在所难免,恳请广大读者朋友予以 指正,不甚感谢! 电子邮箱: cyqdesign@163.com

陈涌泉 2004 年 12 月 4 日

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第一章 TracePro3.24 软件介绍与安装 --------------------------------------------------1 1.1 TracePro 软件介绍-------------- --------------------------------------------------5 1.2 TracePro3.24 软件安装 --------------------------------------------------7 第二章 基本功能介绍 ---------------------------------------------------------------------15 2.1 用户界面介绍 ---------------------------------------------------------------------15 2.2 系统设置 ------------------------------------------------------------------------23 2.3 建立模型途径 ---------------------------------------------------------------------24 2.4 建立模型 --------------------------------------------------24 2.4.1 Lens Element 建立 --------------------------------------------------25 2.4.2 菲涅尔透镜的建立 -----------------------------------------------------26 2.4.3 反射镜的建立 -------------------------------------------------------------27 2.4.4 基本形状建立 -------------------------------------------------------------28 2.4.5 其它模型 ------------------------------------------------------------------29 2.5 定义光学特性 --------------------------------------------------------------------29 2.5.1 运用属性 -------------------------------------------------------------------29 2.5.2 编辑属性数据- -------------------------------------------------------------30 2.6 分析功能-----------------------------------------------------------------------------31 2.6.1 照度、辉度分析-- ---------------------------------------------------------32 2.6.2 光强度分析 ----------------------------------------------------------------33 第三章 入门设计实例--- ----------------------------------------------------------------34 3.1 球形反光碗设计--------------------------------------------------------------------35 3.2 光源的建立 -------------------------------------------------------------------------39 3.3 聚光镜的建立 ----------------------------------------------------------------------40 3.4 菲涅尔透镜的建立-----------------------------------------------------------------42 3.4.1 焦距为 120mm 的菲涅尔透镜的建立 -----------------------------------43 3.4.2 焦距为 185mm 的菲涅尔透镜的建立-------------------------------------46 3.5 液晶屏的建立-----------------------------------------------------------------------48 3.6 投影镜头的建立--------------------------------------------------------------------50 3.7 LCD 投影机光学系统的建立 ---------------------------------------------------56 第四章 进阶设计实例----------------------------------------------------------------------62 4.1 导光管设计 -------------------------------------------------------------------------62 4.2 背光源设计 -------------------------------------------------------------------------79 4.2.1 背光源技术介绍--------------------------------------------------------------79 4.2.2 设计背光源--------------------------------------------------------------------90 4.3 LED实例设计-----------------------------------------------------------------------123

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第一章:TracePro 软件介绍与安装

1.1 TracePro软件介绍

TracePro 是一套能进行常规光学分析、设计照明系统、分 析辐射度和亮度的软件。它是第一套以符合工业标准的 ACIS (固体模型绘图软件)为核心所发展出来的光学软件, 是一个结 合真实固体模型、强大光学分析功能、信息转换能力强及易上 手的使用界面的仿真软件,它可将真实立体模型及光学分析紧 紧结合起来,其绘图界面非常地简单易学。 TracePro 提供四 种版本可依照不同的需要与预算来决定,并可根据需要来 直接升级: RC :只能仿真反射式光学机构。 LC :可以分析较少对象数及光源数的系统。 Standard :标准配备,可分析大部分照明及光学系统。 Expert :增加 RepTile 功能,方便设计多且重复的对象。

TracePro 多变化的应用领域:

导光管( light pipes ) 、背光板 (Backlight Light) 、前光板等等 相机系统、投影显示系统 杂散光分析 汽车照明系统( automotive lighting ) :前头灯、尾灯、内部 及仪表照明 照明灯具、照明应用或 LED 设计及应用 红外线成像系统( infrared imaging systems ) 薄膜光学( tissue optics )

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Tracepro 入门与进阶 TracePro 功能说明:

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TracePro 提供多样的功能供您解决照明设计及光学分析的问题: CAD 绘图界面: 包括 zoom 、 pan 以及 rotate 、 render 、 wireframe 。 无限多窗口编辑模式 。 广泛的几何模型 --- 任何的 CAD 固体模型可以转入 TracePro 并做光线仿 真 。 CAD 当案的转换 --- 可转入 SAT 、 IGES 及 STEP 文件 。 【 Healing 】指令能让您可以修复从其他 CAD 转入后几何图形的缺陷 。 镜头设计文件 OSLO 、 Code V R 、 ZEMAX R 、 ACCOS V R 及 Sigma ) ( 的转入 三种视野编辑模式( Silhouette 、 wireframe 及 rendered ) 。 布林运算:交集、相减及联集 。 对象( Object )编辑功能:移动、旋转、尺寸缩放、剪下、复制、贴上及插入 。 表面( Surface )编辑功能:延伸及旋转 。 广泛的宏指令( Scheme ) 。 变化的 Monte Carlo 描光方式: ray splitting 及 importance sampling 。 多种 Properties 数据库,包括内建及使用者自动功能提供定义对象特性 : 【 Material 】包括:光学玻璃、红外线材料、塑胶 … 等。可更改波长及 温度影响的变化 。 【 Bulk Scatter 】包括 biological tissue 模型 。 【 User-defined Bulk Scatter 】 let you program your own models in a DLL . 【 Surface 】包括 BRDF 及 BTDF 散射模型。可更改波长、入射角度 及温度所响的变化 。 【 Gradient Index 】同通用模型可根据波长及温度定义 。 【 Thin Film Stack 】可创建多层光学薄膜模型 。 【 RepTile 】可方便设计重复且微小的结构如监视器的应用及 Fresnel lenses 。 Aperture diffraction model for stray light predictions 。 利用使用者自建的方式来设置 Diffraction gratings ,可以更改入射角、波长 和温度 。 两种描光模式提供选择 。 使用 Stokes vectors 及 Mueller matrices 来创建偏振模型( Polarization modeling ) 。 强大且广泛的光源设置 : 使用 Grid sources 创建平行光源 。 在对象的表面上创建 Surface sources:可以指定 flux ( lumens or watts )或 illuminance/irradiance ( lux or watts/m 平方 ) ;可以设置 Blackbody/Graybody 。 可以转入 Radiant Imaging ProSource R source 文件 。 可以将 TracePro 的计算结果保存成文件,并当成一光源文件 。 6

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利用 Image file ( bmp, gif, jpg, or tif )当成光源 。 图形及表格输出 : Illuminance/Irradiance distribution。 Candela/Intensity distributions。 Polarization state plot。 Flux report。 Incident Ray。 Ray History。 Ray Path。

强大的 Monte Carlo 描光:

光学仿真软件的重要性就是要使实际物体与仿真结 果中光线的分布与强度一致。 TracePro 采用 Monte Carlo 方法描光,使任何的几何物体都能正确的分析出 来。

使用简单的图形窗口界面 TracePro 可以在 Windows 系列的系统下运行, 使 用界面与通用窗口界面相似。 它的多任务作业窗口不仅可 以让使用者在一个程序里编辑多个模型以外, 更可以同时 看到这些模型。 使用者还可利用 CAD 软件或是镜头设计 软件来创建模型后转入 TracePro 来进行光学仿真。

ACIS 核心提供了多沟通能力:

由于 TracePro 是 ACIS 的核心,所有由固体模型 程序所绘出的形状都可以在 TracePro 中进行描光,包 括 NURBS surfaces 。 TracePro 支 持 了 由 ACIS-based 发展的应用软件,可允许创建的实体模型, 或是可支持的应用程序,也可以利用 IGES 、 STEP 或 是 VDAFS 的 信 息 交 换 标 准 格 式 来 读 取 non-ACIS-based 的固体模型, TracePro 亦可以读取 常用的光学设计软件的文件,将透镜准确、真实且无误差 的创建出来。

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1.2 TracePro3.24 软件安装 ■系统需求: CPU: Pentium Ⅲ 900 MHZ 系统:Windows 98/ME,NT 或 2000,XP 内存:256MB(Win98/ME),512MB(Win NT/2000,XP) 硬盘空间:TracePro 50MB,IGES 或 STEP 转换程式 10MB 显卡:解析度 1024×768 显存 2MB 以上,支持 OpenGL ■软件安装 点击安装盘中 Setup.exe 开始安装如下:

图 1.2.1

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图 1.2.2

图 1.2.3

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图 1.2.4

选择安装类型,包括典型(Typcal) 、简洁(Compact)和自定义(Custom) : 典型(Typcal) :将安装大多数内容,安装时需要选择安装转换引擎类型,适合 大多数用户。 简洁(Compact) :将安装最简洁内容,示例文件、属性数据备份和几何模型转 换引擎不会被安装。 自定义(Custom) :用户可以选择需要安装的内容,适合高级用户。 这里选择典型安装类型,进行安装。

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图 1.2.5

选择安装软件位置,如果不使用默认安装路径,可以点击 Browse 进行新的位 置选择。

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图 1.2.6

选择安装转换引擎,在这个对话框中,全部选中,安装以后,系统可以导入 IGES、 STEP、PROE、Catia 和 Inventor 相关格式的文件。

图 1.2.7

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图 1.2.8

图 1.2.9

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图 1.2.10

安装完成。安装成功并运行 TracePro 如图 1.2.11:

图 1.2.11

可 以 依 照 不 同 的 需 要 来 决 定 选 择 那 种 版 本 , 选 择 Standard 版 本 以 后 进 入 TracePro3.24 设计窗口如图 1.2.12:

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图 1.2.12

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第二章 基本功能介绍

2.1 TracePro 用户界面简介

TracePro 用户界面包括下拉菜单区、顶部工具栏图标区、消息区、图形区、导 航选项卡区及命令在线帮助区,如图 2.1.1

图 2.1.1

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Tracepro 入门与进阶 下拉菜单区

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下拉菜单中包括文件、编辑、视图、插入、定义、分析、报告、工具、窗口等命 令: 1.文件下拉菜单 文件下拉菜单主要是汇集了对文件提取、 存储和打印等功能。 几个常常使用的命 令也会在工具图标区里出现。如图 2.1.1.1 所示

图 2.1.1.1

2.编辑下拉菜单 编辑下拉菜单是绘图环境中对图形进行编辑的菜单,如图 2.1.2.1 所示。单击 该下拉菜单, 即可弹出其中的命令, 其中绝大部分选项命令都以快截图标方式出现在 屏幕的工具栏中。

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图 2.1.2.1

3.视图下拉菜单 视图下拉菜单是绘图环境中对窗口与图形进行设置与定义的菜单, 如图 2.1.3.1 所示。单击该下拉菜单,即可弹出其中的命令,其中部分选项命令都以快截图标方式 出现在屏幕的工具栏中。

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图 2.1.3.1

4.插入下拉菜单 插入下拉菜单是模型建立菜单,如图 2.1.4.1 所示。单击该下拉菜单,即可弹 出其中的命令,其中部分选项命令都以快截图标方式出现在屏幕的工具栏中。

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图 2.1.4.1

5.定义下拉菜单 定义下拉菜单是模型建立菜单,如图 2.1.5.1 所示。单击该下拉菜单,即可弹 出其中的命令,其中部分选项命令都以右键快截菜单里出现。

图 2.1.5.1

6.分析下拉菜单 分析下拉菜单是 TracePro 中非常重要的功能菜单,如图 2.1.6.1 所示。单击 该下拉菜单,即可弹出其中的命令,其中部分选项命令都在工具图标里出现。

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图 2.1.6.1

7.报告下拉菜单 报告下拉菜单是 TracePro 中分析结果的功能菜单,如图 2.1.7.1 所示。单击 该下拉菜单,即可弹出其中的命令。

图 2.1.7.1

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Tracepro 入门与进阶 8.工具下拉菜单

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工具下拉菜单是 TracePro 中提供的一些方便用户操作的功能菜单,如图 2.1.8.1 所示。单击该下拉菜单,即可弹出其中的命令。

图 2.1.8.1

9.宏命令下拉菜单 宏命令下拉菜单是 TracePro 中提供的一些程序操作的功能菜单, 如图 2.1.9.1 所示。单击该下拉菜单,即可弹出其中的命令。

图 2.1.9.1

10.窗口下拉菜单 窗 口 下 拉 菜 单 是 TracePro 中 用 户 窗 口 界 面 设 置 操 作 的 功 能 菜 单 , 如 图 2.1.10.1 所示。单击该下拉菜单,即可弹出其中的命令。

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图 2.1.10.1

11.帮助下拉菜单 帮 助 下 拉 菜 单 是 TracePro 给 用 户 提 供 相 关 主 题 参 考 的 功 能 菜 单 , 如 图 2.1.11.1 所示。单击该下拉菜单,即可弹出其中的命令。

图 2.1.11.1 12.其它 除了上述介绍的几种菜单以外, 还有右键弹出快捷菜单是软件常常使用的, 以下是在 不同位置单击鼠标右键所弹出的快捷菜单。 如图 2.1.12.1 为在导航选项卡区单击鼠 标右键所弹出的快捷菜单。

图 2.1.12.1 23

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图 2.1.12.2 为在绘图区单击鼠标右键所弹出的快捷菜单。

图 2.1.12.2

工具栏图标区

工具栏中的命令图标为快速进入命令及设置工作环境提供可极大的方便, 用户可 以根据具体情况可以定制工具栏。 用户看到有些菜单命令和图标是呈灰色的 (即暗色 的) ,这是因为它们目前还没有处于发挥功能的环境中,一旦它们进入发挥功能的环 境,便会自动变亮。工具栏中各快捷图标的含义和作用这里不作详细介绍,将在以后 示例中提及。部分常用命令图标功能如图 2.1.2

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图 2.1.2

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消息区

执行与有关对话框相关操作的信息显示在消息区, 对操作有提示作用, 使用者应 常常注意此处。

图形区 TracePro 仿真设计模型图象的显示区。

导航选项卡区 导航选项卡区中以“模型树”形式陈列, “模型树”包含光学模型文件中所有特 征或元件的列表。 用户可以对整个光学模型进行操作, 也可以对单个元件某个面进行 面属性、材料、温度等操作。用户所设置光学元件的各个属性将展现在此,修改十分 方便快捷。如图 2.2 所示:

图 2.1.3

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Tracepro 入门与进阶 命令在线帮助区

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当鼠标指针通过菜单名、菜单命令、工具栏按钮及某些对话框项目时,就会出现 屏幕命令在线帮助的提示,根据提示可以引导用户对软件进行操作。

2.2 系统设置

TracePro 可以很方便对系统调用数据、初始文件进行设置。 用户系统定制步骤: 1.进入定制工作对话框。选择下拉菜单区的View → Customize命令,即可 进入设置对话框,如图 2.2.1 所示: 2.定制系统。这里可以设置 tracepro 所使用的数据库路径、自动登陆文件、系 统模型树位置、打开窗口初始化、模型显示、图形驱动种类、窗口背景颜色及模型颜 色等。

图 2.2.1

用户可以根据自己的需要或喜好进行设置,例如,我们可以把“模型树”设定到 右边放置。 27

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2.3 建立模型途径

TracePro 建立模型有三种途径: 第一:TracePro 直接建立。利用 TracePro 软件本身具备的功能建立各种模型。

方法:点击 Insert 选择需要建立模型特征的命令。 第二:CAD转档。利用CAD三维软件如:PRO/E、UG、SolidWork、Catia等, 建立三维模型后,转入TracePro进行必要设置以后进行模拟。方法:点击 File → Open在弹出对话框中选择打开文件类型即可转入。如果模型出错, 可以使用Tools → Healing进行修正。 第三:光学设计软件转档。可以直接打开ZEMAX、OSLO、CodeV、Sigma的 镜头文档。 方法: 点击 File → Open在弹出对话框中选择打开文件类型即可转入。 本书主要讲述 TracePro 本身具备的模型建立功能, 其它建立方法由用户根据自 己实际需求进行操作。

2.4 建立模型

在 Tracepro 中,可以建立透镜、菲涅尔透镜、反射镜、遮光版、光管等模型, 基本能提供大多光学仿真设计所需模型, 复杂的模型设计还需要借助其它专业三维设 计软件来完成。

2.4.1 Lens Element 建立

光学系统是由折射(透镜)系统和反射(反射镜)系统组成。常用的透镜主要有 平凸透镜、双凸透镜、平凹透镜、双凹透镜、凹凸透镜、柱面透镜、非球面透镜等。 Tracepro可以建立各种透镜,方法:点击Insert → Lens Element 命令,弹出 如图 2.4.1.1 所示窗口:

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图 2.4.1.1

用户可以根据自己的设计需要,输入透镜中心厚度、材料名称、每个面的半径大 小、孔径、位置等。孔径、位置和非球面参数设置如图 2.4.1.2、2.4.1.3、2.4.1.4:

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图 2.4.1.2

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图 2.4.1.3

图 2.4.1.3

注意:需要修改参数时,选中透镜,然后点击Insert → Lens Element 命 令,输入新的参数,点击Modify Lens即可。 31

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2.4.2 菲涅尔透镜的建立

在 TracePro 下 拉 菜 单 Insert 中 能 建 立 圆 形 菲 涅 尔 透 镜 , 选 择 Lens Element命令出现如图 2.4.2.1 对话框, 这里需要输入菲涅尔透镜环带大小、 厚度、 材料等参数。 但此功能只能建立外形为圆形的菲涅尔透镜, 而不能建立实际使用较多 的矩形菲涅尔透镜, 所以这里不再过多讲述, 而在下一章实例中将详细介绍矩形菲涅 尔透镜建立的方法以及菲涅尔透镜相关知识。

图 2.4.2.1

2.4.3 反射镜的建立

反射镜在光学系统中的运用非常广泛,根据它的结构一般分为平面反射镜、球面 32

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反射镜和非球面反射镜。TracePro提供了数种外形的反射镜,例如圆锥型(Conic) 、 混合状、方形(Rectangular Concentrator)、多面体(Facetted Rim Ray)、水槽 型(Trough)、复合水槽型(Compound Trough)等。可以满足设计者不同的需要。 点击Insert → Retlector 如图 2.4.3.1:

图 2.4.3.1

2.4.4 基本形状建立

TracePro只能提供方形、圆筒/圆椎、圆环、球形等最基本的形状模型,复杂的 造型需要借助其它三维设计软件来实现。打开Insert 选中 Primitive Solids 命 令,如图 2.4.3.1:

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图 2.4.4.1

2.4.5 插入部件

TracePro能够方便的插入部件,方便用户进行多光学元件的光学系统的操作。 打开Insert 选中 Part 命令,如图 2.4.5.1:

图 2.4.5.1 34

Tracepro 入门与进阶 2.4.6 插入光源

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TracePro能够方便的插入多种文件格式的光源,大大的方便用户进行各种光学 仿真分析设计。打开Insert 选中 Source 命令,如图 2.4.6.1:

图 2.4.6.1 注意:光源文件一般都有固定的格式,比如在光源文件必须以“ !! Source file: file-name” 开头,读者可以自己尝试进行编辑。

2.4.5 其它模型

TracePro 还可以插入遮光板、光管等,鉴于本书篇幅有限,故不做过多介绍, 35

Tracepro 入门与进阶 在以后实例中涉及到将详细说明。

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2.5 定义光学特性

光学系统能在TracePro中进行准确逼真的模拟,定义光学特性特别重要,点击 下拉菜单Define可以看到Apply Properties 、Edit Property Data 等命令, 这两个命令也是以后模拟光学系统需要常常用到的。

2.5.1 运用属性

运用属性对话框如图 2.5.1:

图 2.5.1

在运用属性中,我们需要对材料、表面属性(包括膜层、面类型等) 、温度、模 36

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型色(模型颜色与透明度设置)等进行定义,也可以根据需要进行材料增添,但需要 制作相关的 TXT 文档,并保存于数据库中。 注意:RepTile 只有在 expert 版本中才能使用,主要设计一些微结构或用于背 光源;重点采样(Importance Sampling)主要是为改进 Monte Carlo 计算效能 的一种技术。

2.5.2 编辑属性数据

编辑属性数据功能为使用者提供了极大的自由空间, 提高了 TracePro 自身的可 操作性,如图 2.5.2,使用者可以方便的编辑光学系统中元件的表面属性、材料、膜 层以及设计微结构时使用的 RepTile 功能。

图 2.5.2 2.5.2.1 面属性定义 打 开 Define 下 拉 菜 单 , 在 Edit Property Data 中 选 择 Surface Properties,打开面属性定义设置对话框,如图 2.5.2.1。

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图 2.5.2.1

单击 Add Catalog 弹出输入新面属性目录名称对话框,输入目录名称以后。在 此目录下,点击 Add Property,打开输入属性名称,完成输入以后如图 2.5.2.2:

图 2.5.2.2 这里可以对温度、波长、入射角度、吸收比、反射率、透过率等进行设置(注意单击

,开启

编辑) ,根据需要输入不同波长的参数以后,如图 2.5.2.3 为系统默认目 38

Tracepro 入门与进阶 录下 Cold Mirror 面属性:

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图 2.5.2.3

按下 Plot,从输入表格转换到反射、吸收、透过与波长关系曲线图如图 2.5.2.4 所 示 :

图 2.5.2.4

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Tracepro 入门与进阶 2.5.2.2 材料属性定义

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打 开 Define 下 拉 菜 单 , 在 Edit Property Data 中 选 择 Material Properties,打开材料定义设置对话框,如图 2.5.2.5 为SCHOTT肖特玻璃库的 K10 玻璃参数。

图 2.5.2.5

用户可以根据中国的玻璃牌号,建立适合于中国的玻璃库,建立方法和面属性定 义一致。 按下 Formula, 从参数输入表格, 转换到计算公式显示, 如图 2.5.2.6 为 SCHOTT 肖特玻璃库的 K10 玻璃参数的计算公式。

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图 2.5.2.6 2.5.2.3 膜层定义 打开Define下拉菜单,在Edit Property Data中选择Thin Film Stacks, 打开膜层定义设置对话框,如图 2.5.2.6 为 3 Layer AR膜层参数。

图 2.5.2.6 41

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用户完全可以根据实际光学元件的膜层参数进行设置定义, 使分析的光学系统或 元件更接近实际。选中 Edit Enabl,变可以开始编辑膜层。用户还可以点击 New Stack,进行全新多种膜层设计。

2.5.2.4 RepTile 定义 RepTile 功能可方便设计重复且微小的结构如监视器的应用及 Fresnel lenses,但此功能只在 TracePro 软件的 Expert 版本才具备。 打开Define下拉菜单,在Edit Property Data中选择ReTile Property, 打开RepTile定义设置对话框,如图 2.5.2.6 所示。

在以后的章节中,本书将用大量的篇幅进行讲解,这里不做多的介绍。

2.6 分析功能

进行描光分析前,需要对描光进行设定,TracePro 有两种模式可供选择: ■ 分析模式(Analysis mode) :计算光线在所有物体,表面上的位置,方 向,Flux,偏振等值,并存储在硬盘。这种分析模式速度慢,对 PC 硬件需求较大。 ■ 仿真模式(Simulation mode) :这种模式需要选取一个表面,TracePro 只存储这个面的光线资料。速度比较快,对 PC 硬件要求不大。 TracePro 具备强大的分析功能,主要分析功能如下: ■ 照度、辉度、CIE 色坐标、色度分析(Irradiance map) ■ 光强度分析(Candela plot) ■ 光线资料(光线位置、方向、通量) (Ray Histories) ■ 偏振效应(Polarization map) 42

Tracepro 入门与进阶 ■ 选择需要分析的光线(Ray sorting) ■ 人眼视觉模拟(Photorealistic Render)

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2.6.1 照度、辉度分析

照度、 辉度分析在 tracepro 进行光学系统分析中常常使用到的功能如图 2.6.1 为一光学元件一面上的照度分析图。

图 2.6.1 为了得到比较准确的结论, 用户可以对其进行设置, 在上面窗口中单击鼠标右 键,在弹出图 2.6.1 快截菜单中,选择 Irradiance/Illuminance Options 指令设 置。

图 2.6.1 43

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图 2.6.2 为本书所使用的设置,部分指令含义见图上的说明。

图 2.6.2 注意:很多用户在进行分析的时候,由于设置不当,可能导致无法看到照度/辉 度图,所以在一般的将此设为默认值,以后根据需要设置。在显示指令设置中, symmetry 为对称性设置,一般设置为 non,如果设置为其它对称方式,可能会导 致照度图不对称,设置以后对称,影响分析结果。

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2.6.2 光强度分析 选择中所分析的面以后,点击 图标,进行光强度分析,如图图 2.6.3:

图 2.6.3 打开右键弹出菜单,进行光强度分析指令设置,这里可以进行方位与光线、直角 /极轴光强度、光强度分类设置。如图 2.6.4、图 2.6.5、2.6.6。

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图 2.6.4 从上图可以看出, Normal 和 Up 向量是相互垂直的关系。 光线选择一般选择选 择面上接受到的光线进行分析;对称性设置与照度指令设置方法一致。

图 2.6.5 46

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图 2.6.6

附:常用的光度量 光通量:单位时间内光辐射能量的大小。它表示光源的发光能力。 公式为: 式中 Km—最大光谱效能,683lm/W ---明视觉光谱光效率 ---光谱辐射通量(辐射功率) ---光通量 单位:流明 lm,指 1cd 的均匀点光源在 1Sr 内的光通量。

发光强度(光强) :光通量的角(空间的)密度,即在一定方向上的单位立体角内所 发出的光通量。 常用于说明光源和灯具发出的光通量在空间各方向或选定方向上的分 布密度。 公式为: 立体角:是任意一封闭的圆锥面内所包含的空间。单位是球面度(Sr),即以锥顶为球 心,以 r 为半径作一圆球,如果锥面在圆球上截得的面积 A 为 r 的平方,则该立体角 为一个单位立体角,而一个球体包含 4π球面度。 47

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发光强度的单位:是坎得拉 cd,1cd=1lm/Sr,是国际单位制的基本单位。1979 年 10 月第 10 届国际计量大会通过的坎得拉定义为: 一个光源发出频率为 540.0E12Hz 的单色辐射 (对应于空气中波长为 550nm 的单色辐 射) 若在一定方向上的辐射强度为 1/683W/sr, , 则光源在该方向上的发光强度为 1cd。 照度:单位面积(被照射面)上入射的光通量。 公式为: 单位:勒克斯 lx。 注:1lx 的照度是比较小的,在此照度下仅能大致辨认周围物体。晴朗的满月夜晚, 地面照度大约为 0.2lx;白天采光良好的室内照度为 100-500lx;晴天室外太阳散射光 下,地面的照度约为 1000lx;中午太阳光照射下,地面的照度可达 100000lx。 光出射度:单位面积(发光面)上发射的光通量。 公式为: 单位:辐射勒克斯 rlx。 亮度:在一个广光源上取一个单元面积 dA,从与表面法线成角的方向上去观察,在 这个方向上的光强与所可见的光源面积之比,定义为光源在该方向的亮度。 公式为: 单位:尼特(坎得拉每平方米)cd/squr-m。 注:太阳的亮度为 1.6*10E9 以上,碳极弧光灯(1.8-12)*10E8,钨丝灯(2.0-20)*10E6, 蜡烛(0.5-1.0)*10E4,蓝天 0.8*10E4。 暗适应:由光亮处进入到黑暗处,开始一切都看不见,经过一段时间才能看见物体轮 廓。所需时间较长,一般几分钟以上。 明适应: 有暗处进入到亮处时, 开始也不能辨别物体, 几秒到几十秒后才能看清物体。 在有明暗变化的视场内,应考虑照明的过渡。 后像:在高亮度的闪光之后,往往会感到有一连串的影像,以不规则的强度和不断降 低的频率正负交替出现,即后像。强烈的后像对视力工作有很大害处。应避免。 眩光:视场中有极高的亮度或强烈的亮度对比时,回造成视觉下降和眼睛的不舒适, 这种现象称为眩光。前者为失能眩光,后者为不舒适眩光。不舒适眩光取决于视场内 的尺寸亮度数量位置以及背景亮度等因素。 注:一个明亮光源发出的光线,被一个有光泽或半光泽的表面发射入观察者眼睛,可 能产生轻度分散注意力甚至不舒适的感觉。当这种反射发生在作业面上时,称为“光 幕反射” ,如发生在作业面以外时,称为“反射眩光” 。 颜色:眼睛能够辨别背景上的被观察对象(细节) ,必须满足以下两个条件之一,对 48

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象与背景有不同的颜色(颜色对比) ,或者对象与背景在亮度上有一定的差别(亮度 对比) 。 可见度(能见度,视度) :表示被识别对象看清楚的程度。 反射,折射,透射,吸收: 1.据能量守衡定律,材料的反射系数+透射系数+吸收系数=1 铝(普通)的反射系数为 60-73%,吸收系数为 27-40%。 铝(电解抛光)的反射系数为 75-84%(光泽) ,62-70%(无光) 。 铬反射系数为 65%,吸收系数为 35%。 2.光的反射分类:定向反射(Specular Reflection) ,散反射(Spread Reflection),漫反 射(Diffuse Reflection),混合反射(Compound Reflection)。 3.折射:水的临界折射角为 48.5°,玻璃的临界折射角为 30°到 40°。玻璃的折射 率为 1.5 左右。 4.光的透射分类:定向透射,散透射(Spread Transmission),漫透射(Diffuse Transmission),混合透射(Mixed Transmission)。 5.光在玻璃表面垂直入射时,入射光在入射面被反射 4%,在透过面被反射 3-4%,被 吸收 2-8%,透过率为 80-90%。 6.材料的表面的光反射和光透射具有光谱选择性。

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第三章 入门设计实例

通过前两章的学习,读者已经对 TracePro 的基本功能与操作方法有了一定的了 解,在本章中,将通过国产单片液晶投影机光学系统中各光学元件的设计实例,让读 者有更深刻的体会,为以后进一步学习做准备。 中低端国产单片液晶投影机的典型结构, 系采用 4~10 英寸的液晶显示屏, 去掉 原来的背光装置 (如果是夏普 LQ64SP1 或 LQ64P311 等专用液晶投影屏则没有背光, 直接可用) ,成为幻灯片似的透明(含动态或静止的图象)显示屏,用以直接显示彩 色图象;再利用大功率投影灯,经反光碗、聚焦透镜的反射、聚焦成为平行光,照射 到液晶屏上, 利用液晶屏起到彩色光阀作用形成彩色光束; 再通过透镜组将此彩色光 束聚焦后,投射到大屏幕上成为活动的影视图象或电脑数据显示。光学系统简图如 3.1:

图 3.1 50

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3.1 球形反光碗设计

球形反光碗是使用耐热玻璃(例如:PYREX)压制成型,其内部经高光洁度抛 光处理并涂镀反光膜, 可将投影灯的后部光能有效地反射至前方, 提高投影灯光能利 用率。球形反光碗实物图形如下:

球形反光碗设计步骤: 1.打开TracePro3.24,File → New 新建名为球形反光碗的文件,或使用 CtrL+N建立。 2.点击Insert → Retlector ,选择Conic类型,形状为球形(Spherical) , 计算形式为直径(Diameter),厚度(Thickness)输入 4mm,反光碗高(length) 为 18mm,孔大小为 0,半径(radius)为 33mm, 起点坐标值和旋转坐标值保持默认, 输入结果为图 3.1.1 图框所示:

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图 3.1.1

4.点击Insert,使用工具栏图标区 缩小图形后,点击下拉菜单View → Render进行渲染以后,反光碗实体模型如图 3.1.2:

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图 3.1.2

5.使用工具栏图标区箭头工具,在图形区完全选中反光碗,或点中导航选项卡 中 “模型树”Object 1,单击鼠标右键,在弹出下拉菜单中选择Properties,进行 材料属性设置,在材料目录(Catalog)中选择IR,在材料名称中选择派热克斯 (PYREX) 耐热玻璃, (Apply) 运用 此属性, 吸收、 透过和折射率将显示如图 3.1.3: 注:PYREX 相关知识: PYREX玻璃是美国康宁玻璃公司 (CORNING)研究人员薛利文(Sullivan)1915 年 发明的,并取得发明专利。这种玻璃在美国叫“派莱克斯”(PYREX)玻璃,PYREX 是美国康宁公司产品的一个商标。 派莱克斯玻璃专利失效以后, 这种玻璃被各国广泛 采用。70 多年来,很多专家学者都想研究一种新的玻璃,超过派莱克斯玻璃的性能, 都没有成功。派莱克斯玻璃的特点是,在玻璃中引入了三氧化二硼(B2O3)改进了玻璃 的热稳定性和机械性能。 当今, 全世界都用派莱克斯玻璃制造化工防腐蚀设备与管件、 实验室用玻璃仪器。

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图 3.1.3

6.展开“模型树”中 Object 1,球面反光碗有三个面组成(图 3.1.4)

图 3.1.4

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7.选择表面 1(Surface1),在单击鼠标左键后弹出菜单中选择Properties , 进行面(surface)属性定义,在默认(Default)属性情况下选择镜面(Mirror),运 用(Apply)完成定义。 (注意:由于实际反射面的反射率<100%,所以这里选择 使用 mirror,而不选用反射率为 100%的 perfect mirror,读者可以根据自己的设 计需要,编辑反射率。 ) 8.按下 CtrL,使用鼠标,同时选中表面 0(Surface0)和表面 2(Surface2),相 同的方法设置面属性为完全吸收(Perfect Absorber) 。 9.基本完成反光碗设计。读者可以尝试使用改变反光碗位置,然后使用一束平 行光射向反光碗反射面,试试效果。

3.2 光源的建立

在 TracePro 中有几种途径建立光源: 1.直接调用 TracePro 光源库(source)中已经定义好光源参数的光源实体模 型。 2.直接插入光源文件,步骤为:Insert → Source ,选择需要插入的光源文 本文件,光源文件一般是固定格式的文本文件即*.txt。 3.Define → Source Editor 根据自己需要自行建立光源参数,并保持为文 本格式,便于调用(与途径 2 相似) 。 4.使用 TracePro 或其它三维软件建立光源模型,然后进行光源参数定义。 本章所讲解的国产单片液晶投影机光源主要使用金属卤化物灯(Metal halide lamps) ,实物图片如图 3.2.1:

本书将直接调用光源库(TracePro source 文件夹)中欧司朗(Osram bulbs) 的双端 150W 金属卤化物灯(OSRAM POWERSTAR HCI-TS 150-WDL),即为本书建 立光源的第一种方法。调入以后如图 3.2.1:

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图 3.2.1

展开导航栏“模型树”Source 中 Surface 0,可以看到光源参数的设置情况,这里 设定了 10000 条光线,为了能清楚看到描光以后光线分布,我们修改为 50 条,点击 工具栏图标区 ,进行描光以后如图 3.2.2:

图 3.2.2 56

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大多数学习者通过以上的内容的学习, 只是对光源导入有了了解, 这里将以一个 简单的例子,来介绍如何建立模型定义光源。 步骤一、新件文件,打开新的设计窗口。 步骤二、在Insert下拉菜单选择Primitive Solids命令,在弹出对话框中,输入直 径为 3mm,长度为 12mm的电弧。如图 3.2.3

图 3.2.3 步骤三、开始定义光源。选中模型或 object1,通过右键弹出快截菜单打开 Apply Properties 编辑对话框。在 surface 设置栏,将面属性完全定义为如图 3.24:

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图 3.2.4 步骤四、在 Surface Source 设置栏,选择 Source 为 Flux,输入 1000lumens,光 线条数为 1000 条,如图图 3.2.5: 注意:有些读者需要直接输入光源为 watts 也不知道 watts 如何转换成 lumens, 怎么办呢?方法很简单, 改变光源的测定方式, 即打开 Analysis 中的 Raytrace Options 指令,在 options 设置栏里将 Radiometric 方式从 Photometric(照度计测量)改为 Radiometric,重新回到光源属性设置,输入吧!

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图 3.2.5 步骤五、点击 Apply 运用,按下 描光以后如图 3.2.6。

图 3.2.6

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3.3 聚光镜的建立

聚光镜的主要作用是把反光碗和光源的光线进行会聚, TracePro 里面建立的 在 步骤一般如下: 1.点击Insert → Lens Element 命令,打开透镜模型设置对话框。 2.在 Lens 设置栏,建立输入聚光镜中心厚度为 18,在材料目录下选择肖特, 牌号为 K10。 3.表面半径输入如图 3.3.1: 4.在口径设置栏里,输入半口径为 36mm。如图 3.3.2 5.点击 Insert lens。 6.点击放缩工具图表 ,完成建立的聚光镜完全显示在图形窗口。

7.展开 Object1 模型树,同时选中面 0 和面 2,打开在属性设置对话框,选 择面属性设置栏。 8.在默认面属性目录下,选择 3 Layer AR。 9.点击 Apply 运用。 聚光镜已经基本完成,读者可以自己定义描光,看看效果,图 3.3.3 为一种格 子描光后的图片,仅供参考。

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图 3.3.1

图 3.3.2

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图 3.3.3

3.4 菲涅尔透镜的建立

菲涅尔非球面透镜的是很多圆形的同心环,每个环把光线会聚到所要求的焦点 上,菲涅尔透镜比一般的非球面透镜要薄的多,而且具有很多优点: 1. 在很大的直径范围(低 f 数)可以实现短焦距, 2. 在相同 f 数的条件下,它的透射能力优于未镀膜的单一透镜。 3. 菲涅尔非球面透镜可以用轻的不容易损坏的聚丙烯聚合物来制成。 4. 所有菲涅尔非球面透镜对球差都可进行校正。 5. 由于可以矫正球差,全孔径的轴上分辨率比同样 f 数的球面平凸透镜好。 所以开始广泛运用于光学系统中。图 3.4.1 为矩形菲涅尔非球面透镜侧面图。

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图 3.4.1

TracePro 中进行菲涅尔非球面透镜设计,将采用 RepTile 的微结构设计功能来 实现。在进行设计之前,需要读者对 Facet Angles、Draft Angles 等确定菲涅尔 非球面透镜的参数有一定了解。图 3.4.2 为一种菲涅尔非球面透镜的几种特征参数 图。

图 3.4.2

在 TracePro 用户使用指南手册中将建立菲涅尔非球面透镜做为一个例子来讲 解, 所以本书能将着重讲述如何建立不同焦距的菲涅尔非球面透镜。 根据本章讲解的 国产单片 LCD 投影机,所以在系统中需要用到 f=120mm 和 f=185mm,在设计 菲涅尔非球面透镜之前,读者可以试着建立运用于 RepTile 功能的文本文件。在 TracePro 中使用专门的格式,如下: TracePro RepTile Property Data /文件数据名称 / File Name D:\Tracepro\TracePro.mdb / 数据存储和掉用数据库路 径 / TracePro Release: 3 2 4 / 版本号 / Database Version: 3 0 0 / 数据译本号 / 63

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Data generated at 20:33:41 December 27, 2004 / 创建时间 / Name Fresnel 120 /数据名称/ Description f=120 /数据特性描述/ Geometry_Type 1 /几何种类为 Fresnel Type1) ( ,共有包 括 7 种/ Tile_Type 1 Vary_Rows 0 Bump_Type 0 Width_X 0.225 /环带宽为 0.225mm/ Width_Y 0 Angle 5 /Draft Angle 为 5°/ User_Data 1 Facet Angle (deg) /Facet Angle(度)数据从小到大/ 0.129166667 0.332222 0.535555 . . . 47.61027778 47.68944444 在 TracePro 使用手册中讲到 Facet Angle 共有 333 个角度, 可以根据需要设计 菲涅尔非球面透镜的尺寸大小,来选择角度值的多少。本书为了方便使用,未选择角 度值个数多少。使用所有角度值,效果一样。

3.4.1 焦距为 120mm 的矩形菲涅尔非球面透镜建立

操作步骤如下: 1.打开 tracePro3.24 Expert 版本,新建文件名为 120。 2.点击下拉菜单Insert 选择插入基本实体模型Primitive Solids命令。 3.在设置对话框,选择 Block 设置栏,输入 X 为 168,Y 为 108,Z 为 2。见 图 3.4.1.1 4.点击放缩工具图表 ,菲涅尔镜完全显示在图形窗口。

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图 3.4.1.1

5.选中 Object1,打开属性对话框,选择材料设置栏。 6 . 在 材 料 目 录 下 选 择 PLASTIC 目 录 , 选 择 PMMA 材 料 ( PMMA 在 400—1100nm 的透过率为 90%) 。 7.点击 Apply 运用。

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下一步将把 f=120 菲涅尔镜 RepTile 属性运用已经完成的实体模型表面: 1.展开 Object1 模型数,选中 Surface1。 2.打开属性编辑对话框,选择 RepTile 设置栏。 3. 点击 View Data, 打开 RepTile property Editor 编辑对话框。 见图 3.4.1.2 4.点击 Add RepTile property,打开 Enter New RepTile Property 设置对 话框。 5.在 RepTile Name 名称为 Fresnel 120,几何种类为:Frensel。点击 Ok 完成。 6.选中 Edit Enable,在 ring width 输入 0.21,Draft 为 5。 7.然后将 Facet Angle 角度值输入在下面电子表格中。见图 3.4.1.3 8.点击 图标工具 保持属性。关闭对话框。

图 3.4.1.2

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图 3.4.1.3

注意:在以上 4-8 步骤,很简单的一个代替方法是,在 File 中打开 Import property,掉入 Fresnel 120 文本文件以后与图 3.4.1.3 完成一致。 9.回到属性设置对话框,或是关掉对话框,重新选择 Surface1,打开属性对话 框。选择选择 RepTile 设置栏。 10.在 property Data name 选择刚才已经保存在数据库里面的 Fresnel 120。 11.在边界类型中,选择矩形,输入 width 为 168,height 为 108。 12.点击 Apply 运用属性。弹出系统自动调整位置对话框,确定。 13.关掉 Apply Property 对话框。 14.选择 Surface1,再次打开 Apply Property 对话框,在 RepTile 设置栏里, 可以看到图 3.4.1.4 的参数设置。

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图 3.4.1.4

到这里,焦距为 120mm 的矩形菲涅尔非球面透镜建立已经完成,接下来,进 行格子描光,检验一下焦距是否为 120mm。格子描光设置如图 3.4.1.5:

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图 3.4.1.5

点击工具图标

,描光后如图 3.4.1.6。查看大致的焦点距离,发现焦距只

有 108mm,所以我们将改变环带宽度来使焦距满足设计要求。 1.打开选中 Surface0,打开属性设置对话框,选择 Reptile 设置栏。 2.点击 view Data,进入 Reptile 属性编辑,选中 Edit enable,输入 Ring width 为 0.225。 3.取消选中 Edit enable 状态,保存 4.关闭 Reptile 属性编辑对话框。 5.点击属性设置对话框的 Apply 运用。 6.再次点击工具图标 7.保存设计。 69 ,查看焦距为 120mm。 修改。

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图 3.4.1.6

注意:1.很多读者在使用 RepTile 时常常出现无法得到预期的结果,主要因为 设置修改的时候需要及时保存,第一次 Apply 以后,可以能看不到描述语言如下图, 而显示 Not found

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in database,不用担心,可以观点对话框,重新打开一次,描述信文字已经有了。 2.读者需要了解,分别将 Fresnel 面特性运用在矩形的正面与背面的时候,即 是光从有齿面入射与光从无齿面入射焦距是不一样的, 这个和实际完全符合, 值得设 计者注意,读者完全可以根据本书所讲的,自己模拟一下,更加深刻。

3.4.2 焦距为 185mm 的矩形菲涅尔非球面透镜建立

对于焦距为 185mm 的矩形菲涅尔非球面透镜建立方法大致和 120 的一致,但 是如果在共用一个 RepTile 属性文本文件 Fresnel 120,那么我们建立的 2 个矩形 菲涅尔非球面透镜都焦距都会变成相同,所以我需要建立 Fresnel185 文本文件, 内容大致如下: TracePro RepTile Property Data File Name D:\Tracepro\TracePro.mdb 71

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TracePro Release: 3 2 4 Database Version: 3 0 0 Data generated at 22:38:30 January 11, 2005 Name Fresnel185 Description f=185 偏心 Geometry_Type 1 Tile_Type 1 Vary_Rows1 Bump_Type 0 Width_X 0.315 Width_Y 0 Angle 5 User_Data 1 Facet Angle (deg) 0.129166667 0.332222 0.535555 。 。 。 最简单的方法是,把 Fresnel 120 文本文件的内容复制,然后将上述内容颜色为 红色的改为 185 需要设置的。其余不变,保存 Fresnel185。 按照建立 Fresnel 120 方法,完成设置,进行描光以后见图 3.4.2.1

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图 3.4.2.1

3.5 液晶屏的建立

液晶屏是一个光电一体的器件,也是投影机的显示核心。它将来自 DVD、VCD、 TV 接收器的视频信号及来自电脑的 RGB 信号(部分机型不支持)显示彩色图象, 起到光阀作用。在光学结构如图 3.5.1,主要分为偏振片/导向膜/液晶盒/导向膜/滤色 片/检偏片等。光学指标上主要是透过率(与液晶开口率直接相关) ,一般在 9%以下。 甚至低到 5%。所谓投影屏,一般没有背光源,透过率在 8%左右(开口率较高) 。

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图 3.5.1

本实例主要设计由于投影机的投影屏,但由于液晶屏结果复杂,所以在 TracePro 里面设计的液晶屏只能与其相似,主要步骤: 1.打开 TracePro3.24,建立新文件,命名为 LCD。 2.在下拉菜单Insert选择基本实体模型Primitive Solids命令。 3.在 Primitive Solids 设置对话框中输入 X=133mm,Y=100,Z=6mm。 4.点击 Insert 插入。 ,完成建立的聚光镜完全显示在图形窗口。 5.点击放缩工具图表 6.在选项导航栏中,展开 Object1 模型树。 7.选中表面 1,打开属性定义对话框,选择面属性设置栏,在默认属性目录下, 选择 Gray22。 8.点击 Apply 运用。 9.选中面 0,打开属性定义对话框,选择 Mueller Matrix 属性设置栏,输入 参数如图 3.5.2. 10.点击 Apply 运用 11.完成以后的 LCD 如图 3.5.3。

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图 3.5.2

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图 3.5.3

3.6 投影镜头的建立

对于投影镜头本书只讲解从ZEMAX光学设计软件转入后进行运用属性设置和 描光分析, 于镜头各透镜元件结构、 像差和优化将不做讲述, 选择File → Open 命 令,在打开类型中选择Zemax文档。如图 3.6.1

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图 3.6.1

调入 220 投影镜头以后,如图 3.6.2:

图 3.6.2

下一步将对各透镜元件进行属性设置: 77

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1.在导航选项栏选中 Object1,按下 Ctrl,同时选中 Object2 和 Object3. 2.打开属性设置对话框,选择面(Surface) 属性设置栏。 3.在默认属性目录下,选择名为 Lens 的面属性。 4.点击 Apply 运用。

图 3.6.3

5.展开 Object1、Object2 和 Object3 的所有面及属性列表,可以看到 Lens Data From ZEMAX 等信息。 注意:本书这里没有进行各透镜元件的材料设置, 如果从 Zemax 等软件调入的 文件中设置的材料不能在 TracePro 系统中找到,必须重新设置材料参数,也读者可 以自己编辑中国牌号材料参数,便于使用。 属性设置基本完成,需要使用格子描光分析,先对格子描光设置对话框进行简单 介绍:

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格子与光线参数设置如图 3.6.5:

图 3.6.5

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定义高斯光束如图 3.6.6

图 3.6.6

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偏振光设置如图 3.6.7

图 3.6.7

本例子主要进行格子描光,步骤如下: 1.点击下拉菜单Analysis → Grid Raytrace命令,打开格子描光设置对话 框。 2.根据投影镜头的口径等,输入参数如图 3.6.8。 3.点击 Apply&Trace Rays 描光。 注意:格子描光设置在没有更改的时候,可以直接使用图标功能图标 。

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图 3.6.8

到此, 投影镜头已经完成模型与属性设置, 由于是在 Zemax 中已经设计优化好 了,所以这里不再进行分析功能的运用结束。

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3.7 LCD 投影机光学系统的建立

通过以上设计,我们已经将国产 LCD 投影机光学系统各个元件完全建立好,所 以接下来将其组合为投影光学系统。 1.打开 TracePro,新建名字为 LCD 投影机的文件。 2.点击下拉菜单 Insert ,选择Part命令。 3.首先打开反光碗。 4.按照相同的方法,依次调入金属卤化物灯、聚光镜、Fresnel120、液晶屏、 Fresnel185、220 投影镜头。 5.调整好各个元件位置,简单设置一个投影机外壳以后如图 3.7.1。

图 3.7.1

为了检查投影机投影画面的均匀性和照度, 可以在距离镜头一定距离位置设置一 个屏,将正对镜头一面( Surface0)表面属性设为完全吸收。 在选择照度和光强度分析面为屏上 Surface0,点击光源描光 ,描光介绍以

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Tracepro 入门与进阶 后,分别点击照度、光强度分析按钮

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。根据图中照度分布,可以调整投

影机各个元件的相对位置来改变均匀性和光效,这里不做过多的讲述。 注意:很多用户在利用 Tracepro 进行分析的时候,常常无法正常看到照度、辉 度光强度等分析结果,主要是因为在分析前,没有选中所要分析的面,下面将以一个 简单的例子作以介绍: 第一步:打开tracepro软件,点击Insert下拉菜单命令。 第二步:选择 Lens Element…,在弹出Insert Lens Element对话框中 随意输入适当的参数。完成以后入图 3.8.1 第三步:进行描光操作。选择下拉菜单Analysis中Grid Raytrace命令,或 使用图标命令 ,描光设置如图 3.8.2

图 3.8.1

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图 3.8.2

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第四步:结果如图 3.8.3,这里将对 Surface 2 进行分析,使用面选择工具 选中 Surface 2。 第五步:现在你可以试一下了,点击照度、光强度分析按钮 析结果如图 3.8.4。



看看分

图 3.8.3

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图 3.8.4

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第四章 进阶设计实例

4.1 导光管设计

在 TracePro 中进行导光管设计,将使用到面延伸功能。面延伸功能在建模功能 差的 Tracepro 里,使用非常方便。主要步骤: 1.打开 TracePro3.24 软件。 2.在下拉工具菜单 Insert 选择实体模型 Insert Primitive Solids 命令. 3.在基本实体模型设置对话框中,选择 Cylinder/Cone 设置栏。 4.选中 Cylinder,在 Base 下的 Major 栏输入 2,在 Top 下的 Length 输入 30。如 图:4.1.1 坐标位置保持不变。 5.点击 Insert 插入,点击放缩工具图表 ,如图 4.1.2。

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图 4.1.1

图 4.1.2

下一步将使用 Revolve 对上面输入的光管右端面进行延伸: 1.选中光管右端面,即 Object1 下的 surface3。 2.在下拉菜单 Edit → Surface→Revolve 命令。 3.在 Revolve Surface Selection 对话框中,延转角度 Angle 为 90 度,半径为 25。 4.在位置坐标栏输入 0,-25,30;1,0,0(见图 4.1.3) 5.点击 Relove Surface 插入延伸,见图 4.1.4。 89

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图 4.1.3

图 4.1.4

最后将进行 Sweep 面延伸,完成导光管的实体模型: 90

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1.选中端面 Surface3,在下拉菜单 Edit → Surface→Sweep 命令。 2.在 Sweep Surface Selection 对话框中,输入 Distance 为 15,Draft 为-2。 3.确定选中 Sweep along surface normal(一般默然为此项) ,见图 4.1.5。 4.点击 Apply 运用。 5.导光管实体模型完成以后如图 4.1.6 所示:

图 4.1.5

图 4.1.6 91

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为了使导光管成为光学模型,所以需要进行材料设置并进行描光分析。 1.选中导光管 2. 打开属性设置对话框, 选择材料设置栏, IR 目录下选择 ACRYLIC 材料名。 在 3.打开 Analysis 下拉菜单,选择格子描光 Grid Raytrace 命令。 4.Grid Raytrace 对话框输入参数如图 4.1.7,4.1.8。 5.点击 Apply&Trace Rays 运行描光,结果见图 4.1.9。 6.选中 surface4,点击 ,进行照度、辉度分析,如图 4.1.10。根据照度图,

照度大小分布情况,可以进行调整,使设计更加优越。 7.点击 ,进行光强度分析,如图 4.1.11。

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图 4.1.7

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图 4.1.8

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图 4.1.9

图 4.1.10

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图 4.1.11

4.2 背光源设计

4.2.1 背光源技术介绍

背光源是提供LCD面板的光源。主要由光源、导光板、光学用膜片、塑胶框等 组成。背光源具有亮度高,寿命长、发光均匀等特点。目前主要有EL、 CCFL 及LED三种背光源类型, 依光源分布位置不同则分为侧光式和直下式。 随着LCD 模组不断向更亮、更轻、更薄方向发展,侧光式CCFL式背光源成为目前背光源发 展的主流。 由于直下式的模块较厚,不符合轻薄短小的趋势,因此,目前多以侧光式为主, 导光板的作用在于引导光的散射方向, 用来提高面板的亮度, 并确保面板亮度的均匀 性,导光板的良优对背光板影响甚大,因此,侧光式背光板的关键技术之一。导光板 是利用射出成型的方法将丙烯压制成表面光滑的板块, 然后用具有高反射且不吸光的 材料, 在导光板的底面用网版印刷的方式印上扩散点, 冷阴极荧光灯位于导光板侧边 的厚端,冷阴极管所发出的光利用反射往薄的一端传导,当光线射到扩散点时,反射 96

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光会往各个角度扩散,然后破坏反射条件由导光板正面射出,利用各种疏密、大小不 一的扩散点, 可使导光板均匀发光。 反射板的用途在于将底面露出的光反射回导光板 中,用来提高光的使用效率。导光板按照工艺流程不同又可分为印刷式及非印刷式, 印刷式是在压克力平板上用具高反射率且不吸光的材料, 在导光板底面用网版印刷印 上圆形或方形的扩散点。 非印刷式则是利用精密模具使导光板在射出成型时, 在丙烯 材料中加入少量不同折射率的颗粒状材质, 直接形成密布的微小凸点, 其作用有如网 点。 目前国内厂商大多仍采用印刷式的导光板作为导光组件, 印刷式的导光板具有开 发成本低及生产快速的优点,而非印刷式的技术难度较高,但在亮度上表现优异,模 具开发技术为瓶颈所在, 另外, 根据形状可分为平板及楔形板, 平板多应用于监视器, 楔型板多用于笔记型计算机。至于扩散板及的主要用途,在于提高正面的亮度,扩散 板的作用在于让光的分布更加均匀使从正面看不到反射点的影子。 然由于光自扩散板 射出后,其光的指向性非常差,必须利用棱镜片来修正光的方向,达到聚光的效果, 提高正面的亮度。 就应用范围而言,EL、LED主要用于小尺寸、单色光(绿色、红色) 。最近 也陆续有白光(全色)EL和LCD背光源出来。但由于亮度较暗其基本上用于4英 寸以下小尺寸液晶显示。如:手机、PDA、游戏机等。全色(白光) 、大尺寸亮度 背光源, 现在主流仍然是用CCFL做光源, 而且经过多年的开发技术工艺比较成熟, 信赖性高,性能稳定。现在大中型尺寸(19-3英寸)TFT液晶显示屏普遍用C CFL。其具体民用产品有:液晶电视(20″-30″) ;液晶电脑显示器(1410″) ;手提电脑显示器(8-14″) ;便携式DVD(5-9″) ;汽车、火车、 飞机载电视、GPS显示(3″-5″) ;博彩游戏机(3″-5″) ;便携电视(35″) ;儿童学习机、掌上电脑、游戏机(3-5″) ;OA工业仪器显示(5-10″) ; 可视电话(5-10″) 。

4.2.1.1背光模块的结构

■ ■ ■ ■ ■ ■

入射光源(lamp, LED or EL etc.) 导光板(Light Guide Plate) 反射板(Reflector) 棱镜片(prism sheet) . 灯管反射罩(lamp reflector) 外框架

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图4.2.1.1楔型结构(侧光式)的构造

■ 上页图中光源(冷阴极管)直接或间接(经灯管反射罩反射)进入导光板传播, 经由导 光板下方的光学结构设计面与反射板对全反射现象的破坏后, 光源由导光板的正面以 某一角度扩散射出,均匀分布于发光区域内。

再经由扩散板及棱镜片I、II对光源视野角进行调整,使光线能聚集在液晶显示器 的视野角选择内,以配合液晶显示器对光学的特性要求。


4.2.1.2主要元件介绍-----入射光源(1)

荧光灯

冷阴极管 优点:细管径化(管径现可达到1.8mm )、寿命长、亮度高、工作电流低 缺点:发光效率低于20% 、放电电压高、低温下放电特性差、加热达到稳定辉度时 间长
■ ■

热阴极管 优点: 放电电压低、加热达到稳定辉度时间短、发光效率高 缺点: 细管化困难、寿命短

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冷阴极管 VS. 热阴极管 荧光灯 项目 发光效率 工作电压 工作电流 管径 寿命 冷阴极管 约18% 600-1000V 2.0-10mA 1.8-8 20000H以上 热阴极管 约25% 300-800V 10mA以上 4.0mm以上 5000-8000H

4.2.1.3主要元件介绍-----入射光源(2)



LED(发光二极管)

以往用于小型的单色LCD的显示器装置,近年来成功发展出青色光源的LED,经 过导光板、反射板等作用形成白色光源显示,由于其辉度高,渐成为具有实用性的导 光板光源。


有机EL面状发光

一种能配合背光模块面光源型态的光源型式,由于其辉度低,适用于小型、全彩 等使用的背光模块,现阶段正努力于三原色化, 为未来市场增加其应用性。

4.2.1.4主要元件介绍-----导光板

导光板是背光模块光源的传播煤介,其形状及材料组成决定了出射光源的辉度及 分布上均一性的表现。
■ ■

一般来说,较细的灯管配合厚的导光板有较佳的入光效率,仅有在灯管紧靠在导 99

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光板上有最佳47%的入光效率。在实际的考虑上为避免灯管电极过热对导光板造成 伤害,必须要求保持灯管与导光板间的相对距离。 进入导光板内部的光源,经过散射效应与反射板、扩散板及棱镜片等作用后,出 光效率约占内部光源的75%左 右。


现行导光板在薄型化的趋势下,笔记型计算机使用的导光板厚度已由4mm (平板 型) 逐渐降低至1.5mm(楔型)以下,再配合一体化的射出成型技术,是未来几年内的 产业走向。(PMMA热变形温度约90℃)


4.2.1.5导光板介绍----点印刷式导光板



点印刷式导光板:

以往导光板印刷为将光源均一化分布的常用方式,利用含高发散光源物质(如 SiO2 及TiO2)的印刷材料,适当的分布于导光板底面,借由印刷材料对光源吸 收再扩散放出的性质, 破坏全反射效应造成的内部传播, 使光由正面射出并均匀分布 于发光区, 但因出光的散射角较大及印刷点亮度对比较高, 必须使用较厚的扩散板(覆 盖)及棱镜片(集光)达到其光学与外观要求。印刷方式的导光板常用在中小型的背光 模块及设计试作阶段,以减少模具费的使用。

4.2.1.6导光板介绍-----射出成型一体化导光板



蚀刻方式(模仁咬花)

直接将印刷点的设计转移到模具上, 取代传统的印刷方式, 而在辉度的实际表现 上,蚀刻导光板则不如印刷导光板。(现已发展至钢板咬花)


切削方式SC加工

在导光板正面以切削方式制造出一条条长沟型的结构, 与棱镜片结构类似的镜面 设计, 更能增加辉度提高的效果, 但在均一性的表现上则不如印刷方式的导光板结构。


噴砂方式 100

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利用细砂材料喷洒于模仁形成粗面分布,在射出成型下直接转移至导光板上时, 粗面越多的地方,破坏光源全反射的效果越强,因此可达到光源面的均匀分布。


内部扩散方式

将一些具散射的透明颗粒材料(如MMA),在射出成型时直接注入导光板内部,利 用其浓度的不同对光源作有效率的出射调制, 均匀分布在导光板发光区间, 并减低光 源仍留在导光板内耗损的可能。

4.2.1.7主要元件介绍-----扩散板与棱镜片

导光板光源出射方向及扩散角度并非集中在导光板正面方向, 因此在LCD的视野 角上无法达成亮度上的要求, 必须修正光源的方向及扩散角度, 使得光源能尽量集中 在要求的方向,扩散板与棱镜片即是作为角度修正及集光效果的重要组件。


扩散板

扩散板的作用除了修正光行进的角度外,对于破坏全反射面的光学结构亦具有覆 盖的作用, 扩散板的光学参数包含了透过率及雾面程度, 视导光板的外观做有利的选 择。 ■ 棱镜片 棱镜片是提升正面辉度的重要组件,最有效且常用的棱镜片为BEF系列,其中顶 角90°及周期结构50um宽的BEFII 90/50 1~2枚应用于导光板上可使辉度提升约 1.4~1.8倍,另外1997年发行的DBEF 一枚甚至可使辉度提升达1.5倍之多。

4.2.1.8主要元件介绍-----灯管反射罩



灯管反射罩

灯管反射罩作用在包住灯管发出的光源,尽量送入导光板内,而灯管反射罩的形 状对导光板的入光效率有相当大的影响, 一般中小型尺寸的背光模块常用包含银蒸镀 膜及PET的软性材质,约有80%的入光效率,而大尺寸含外框的笔记型计算机系列, 对入光效率要求较高, 因此多以外型特殊及固定的铜材质作为灯管反射罩, 以增加入 光效率,最佳时可达90%以上,另外灯管阴极接触灯管反射罩常会产生漏电流现象, 101

Tracepro 入门与进阶 在机构设计时必须注意!。

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4.2.1.9主要元件介绍-----反射板


反射板

反射板功能是将未被散射的光源反射再进入光传导区内, 其本身对光源亦稍微有 散射的效应;在侧光式大型的背光模块,为降低灯管入光处的辉线效应,常在反射板 对应灯管入光处做消光设计,得到较佳的外观效果及均一性。

4.2.1.10冷阴极管的驱动元件----- (Inverter)


逆变器(Inverter)

逆变器是驱动灯管点灯的高压脉冲(pulse)提供者,它将由电源供应器(Power Supply)的直流电压讯号转换成高频的高压脉冲,使灯管能持续点灯,一般变换器频 率在75KHZ以下的室温时,与发光强度维持正比关系,在一般商品化的规格中皆有指 定其频率。

4.2.2 TracePro 设计背光源

本书主要以侧光式背光源设计为例, 详细讲述侧光式背光源设计的全过程, 主要 步骤包括: ■ 创建一个实体模型 ■ 定义实体模型使用材料的属性 ■ 设置实体模型个表面属性 ■ 创建和运用 RepTile 功能 ■ 创建表面光源 ■ 描光 ■ 照度、辉度等分析 首先,本书将介绍如何创建 LCD Panel: 102

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1.点击桌面TracePro快截方式或使用开始 → 程序 → TracePro, 打开TracePro。 2.从Insert 下拉菜单中,选择基本实体模型Primitive Solids命令。 3.选择方形实体模型 Block,输入 X=100,Y=10,Z=100。 4.点击插入 Insert 按钮,创建 block。

5.单击放缩工具 现新建实体模型。

,或选择下拉菜单View → Zoom All,图形区将完全展

图 4.2.2.1

下一步将定义 LCD Panel 材料属性,使其成为光学模型。 1.在导航选项栏的模型树中选中 Object1。 2.点击鼠标右键弹出下拉快截菜单,或在图形区单击右键,选择Properties…命 令打开属性定义对话框。 (还可以使用下拉菜单Define → Apply properties) 3.在设置属性对话框中选择材料属性定义。 4.在材料目录下,选择 PLASTIC 目录,选中名为 Polycarb 材料。 5.点击 Apply 运用该材料属性。 6.在导航选项栏里面可以看到材料属性已经运用于 Object1。

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图 4.2.2.2

选择面 1、面 2、面 3 和面 5,将 Object1 的底面和三边设为反射面 1.首先展开导航选项栏“模型树”中 Object1。 2.在“模型树”中选中 Object1 的面 1(Surface1)。 3.按住 CtrL,同时选中面 2(Surface2),面 3(Surface3)和面 5(Surface5)。 4.打开属性定义对话框,选择表面(Surface)属性设置。 5.在默认属性目录下,选择理想反射面(Perfect Mirror)。 6.点击 Apply 运用。

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图 4.2.2.3

完成了上面的设计,下一步将建立荧光灯,它位于 Panel 一端。 1.从Insert 下拉菜单中,选择基本实体模型Primitive Solids命令。 2.在 Primitive Solids 对话框中选择 Cylinder/Cone 设置栏。 3.输入半径、长度等参数如图 4.2.2.4。 4.点击 Apply 运用,创建完成荧光灯模型如图 4.2.2.5。

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图 4.2.2.4

图 4.2.2.5

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创建完成荧光灯后,需要定义它的表面属性。 1.点击 Object2 前的+号,展开模型树,可以看到荧光灯由 3 个面组成,即光 管面和 2 个 端面。 2.在导航选项栏中选钟 Object2 的表面(surface0)。 3.打开属性设置对话框,选择表面(Surface)设置栏。 4.在默认属性目录下选择 Flour Wite。 5.点击 Apply 运用。

图 4.2.2.6

这一步将荧光灯实体模型设置为光源。 1.选择 Object2 的面 0(surface0),打开设置属性对话框。 2.选择表面光源(Surface Source)设置栏。 3. Source Type 栏中选择 Flux, 在 Flux 栏里输入 30Watts, 设置总光线 (Total Rays)为 1000 条。 4.点击 Apply 运用。

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图 4.2.2.7

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为了充分利用荧光灯所发出的光,并且使 Panel 能得到更加均匀的光,所以在 其旁边增加一个反光面。 1.在Insert 下拉菜单中,选择基本实体模型Primitive Solids命令。在 Primitive Solids对话框中选择Cylinder/Cone设置栏。 2.先建立外侧圆筒,输入数据如图 4.2.2.8。 3.再建立内侧圆筒,输入数据如图 4.2.2.9。

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图 4.2.2.8

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图 4.2.2.9

反光面可以使用布林运算相减功能,将内侧圆筒从外侧圆筒相减。 1.在模型树中选择外侧圆筒,即 Object3。 2.按下 CtrL,同时选中内侧圆筒,即 Object4。 3. 点击 使用布林运算相减功能图标, 也可使用下拉菜单Edit → Boolean →

Subtract命令来实现。 4. 查看导航选项栏, 布林运算结果为 Object3, 且具有 6 个面 (surface0---surface5) 。 如果操作不成功,可以按以上方法再试一次。

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图 4.2.2.10

这里设计的反光面是半球形,所以需要再次运用布林运算减去多余部分。 1.打开基本实体模型对话框,输入数据如图 4.2.2.11。 2.选中 Object3,按下 CtrL,同时选中 Object5。 3.点击 使用布林运算相减功能图标。

112

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图 4.2.2.11

完成以后如图 4.2.2.12 所示

图 4.2.2.12

113

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进一步定义半球反光面属性 1.选中 Object3 中面 2(surface2),打开属性对话框。 2.选择面(Surface)设置栏,在默认属性目录下,选择 Diffuse White。 3.点击 Apply 运用。 4.定义完成的属性如图 4.2.2.13 所示。

图 4.2.2.13

打开 TracePro3.24, 选择进入 Expert 版。 将在 TracePro Expert 版下, 利用 RepTile 功能,建立网点。 1. 选择下拉菜单Define → Edit property → RepTile properties命令, 打开RepTile 属性编辑对话框。 2.点击增加(Add)RepTile Property。 3.在弹出对话框中,输入 RepTile name 为 LCD,几何种类(Geometry Type) 为球体(Sphere) ,如图 4.2.2.14。 4.点击 OK,完成。 5.在 Tile 参数(Parameters)中选择矩形(Rectangles) 。 6.输入 With=5,Height=5。 7.在电子数据表格里,分别输入 Radius=1mm,Depth/Height=1mm,如图 4.2.2.14 8.点击保存按钮,保存在数据库中。 (或使用File → Save亦可) 9.关闭 RepTile 属性编辑窗口。

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图 4.2.2.14

115

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图 4.2.2.15

利用 RepTile 建立完成背光源的微结构网点,现在将把 LCD 属性运用于背光 源。 1.在导航选项栏,展开 Object1 模型树,选中面 2(Surface2)。 2.打开属性编辑对话框,选择 RepTile 设置栏。 3.在属性名称里面选择 LCD, 在边界形状里面选择矩形 (Rectangula) ,输入 width 为 98,height 为 98。 4.边界中心、LCD 属性起点等坐标值输入如图 4.2.2.16。 5.点击 Apply 运用。 读者可能很奇怪,网点已经建立好了,为什么看不见呢?那是没有打开显示。 只需很简单的操作:首先在下拉菜单View → Display RepTiles ,好了网点已经 看到了。为了便于视觉观察,再做一下小调整显示方位,在下拉菜单View → Profiles → ISO1,结果如图 4.2.2.17

116

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图 4.2.2.16

图 4.2.2.17 117

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网点建立成功以后, 背光源的建立是否满足要求呢?所以需要在背光源上面适当 位置建立一块模拟液晶屏,把正对被光源一面设为完全吸收,这样,我们可以在描光 以后查看照度、辉度分析图和光强度分析图。 1. 新建立一块模拟吸收液晶屏,点击下拉菜单Insert ,选择插入基本实体模 型(Primitive Solid)命令。 2. 在基本实体模型对话框中选择 Block,输入 X 为 100,Y 为 5,Z 为 100。 3. 中心位置坐标 X,Y,Z 分别为 0,12.5,0。见图 4.2.2.18 4. 点击 Insert 插入模型。见图 4.2.2.19 5. 在导航选项栏里,展开 Object4 模型树,选中 Surface2。 6. 打开属性编辑对话框,选择面属性设计栏。在默认属性目录下选择 Perfect Absorber。 7. 点击 Apply 运用。 8. 背光源光学模型已经完成,点光源描光图标按钮 4.2.2.20。 ,描光以后如图

图 4.2.2.18

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图 4.2.2.19

图 4.2.2.20

119

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CYQ DESIGN STUDIO ,Irradiance Options 设计保持默认的,

9.

点击 照度、辉度分析图标按钮 得到结果如图 4.2.2.21。

图 4.2.2.21

从图中可以看到, 照度分布不均匀, 如果改善?方法一: 描光时使用更多的光线, 但对 PC 硬件要求高,需要时间多。方法二:重点采样(Importance Sampling) 。 我们使用方法一试一下,重新定义 Object2 的 Surfacr0,在光源设置栏里,把光 线条数由 1000 条改为 10000。点光源描光图标按钮 ,描光以后如图 4.2.2.22。

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图 4.2.2.22

对于方法二, 需要选种需要分析的面, 然后在属性设置中, Imporatnce Sampling 对 栏进行设置,这里就不多做讲述,读者自己试一试,然后看看效果。 背光源设计一个重点就是网点设计,如何合理的设计网点,从而得到均匀的光, 这也需要广大设计背光源设计者努力创新; TracePro 中也可以不使用 RepTile 功能 在 来建立,但是排列网点,比较烦琐,读者可以自己尝试。 到此利用 RepTile 功能进行背光源已经完成,由以上例子可以看出 RepTile 功能 设计背光源虽然网点大小可以变化, 但是网点位置排布只能按照单一规律变化, 且十 分受限 为此,Lambda Research Corporation 将在 2005 年 3 月隆重推出 Trcacepro3.3 版本,其主要对背光源等微结构设计功能进行改进。 除此以外,我们还可以在其他软件中进行网点排布,建立好背光源模型以后,导 入 tracepro(一般保存为 IGS 格式方便导入) ,然后进行光源,材料,面属性等进行 设置,图 4.2.2.22 为导入 Tracepro 软件以后背光源模型图,网点排布已经明显改善。

121

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图 4.2.2.22

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Tracepro 入门与进阶 4.3 LED 实例设计

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本节主要以西门子 LWT676 LED 为例,进一步学习在 tracepro 建立模型的操作, 并进行光学属性设置,如图 4.3.1 为西门子 LWT676 LED 的外形尺寸图。

图 4.3.1 完成模型建立和光学属性定义以后, 将进行效果分析, 与下图 4.3.2 提供的光强度 分析图进行比较,来验证设计效果。

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图 4.3.2 4.3.1 LED 模型建立 建立模型的主要布置如下: 1. 打开 Tracepro 软件,新建立名为 LED 的文件。 2. 点击图标按钮 或打开 View 下拉菜单 Profiles 中 XY,将图形区设置为

XY 坐标轴显示。 3. 打开 Insert 下拉菜单选择 Primative Solid 命令,在 Insert Primative Solid 对话 框中选中 Thin Sheet Tab,输入如图 4.3.3 所示数据。 4. 点击 Insert 插入。 5. 使用放缩图标工具 ,使刚建立的模型完全呈现在绘图窗口图 4.3.4。

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图 4.3.3

图 4.3.4 6. 关闭 Insert Primative Solid 对话框。 7. 点击图标按钮 或打开 View 下拉菜单 Profiles 中 YZ,将图形区设置为

YZ 坐标轴显示。如图 4.4.4

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图 4.4.4 8. 在导航选项区,展开模型树,选中 surface0。 9. 打开下拉 Edit 下拉菜单,在 surfacr 命令中,选择 Sweep。 10.输入参数如图 4.4.5

图 4.4.5 11.按下 Apply 运用,如图 4.4.6,surface4 为新建立的面。

126

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图 4.4.6 12.与步骤 9、10 方法相同,选中 surface4,输入参数如图 4.4.7

图 4.4.7 13.选中 surface8 重复上一步输入 Distance 为 0.9,Draft 为-4, 完成以后如图 4.4.8

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图 4.4.8 14. 开始建立锥形反射孔。首先建立锥形模型,选择下拉菜单Insert选择Insert Primitive Solid 选中 Cylinder/Cone对话框,输入如图4.4.9

图4.4.9 128

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15. 使用布林运算,完成锥形孔。同时选中object1和object2。 16. 打开下拉菜单Edit,选择Boolean命令,使用Stubtrace运算。 17. 去掉Object2形成模型如图4.4.10

图4.4.10 18. 建立扩散体,选择下拉菜单Insert选择Insert Primitive Solid 选中 Cylinder 对话框,输入完成如图4.4.10

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图 4.4.10 19. 使用Insert下来菜单,选择Primitive Solid 对话框,建立LED芯片,如图 4.4.11:

图4.4.11

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4.3.2 新表面属性定义

实体模型已经完成,现在开始进行新的表面属性定义。 首先设置扩散体 Diffuser 表面属性 LDiffuser: 1. 打开下拉菜单Define在Edit Property Data中打开Surface Properties定 义对话框。图4.4.12

图 4.4.12 2. 点击Add Property 按钮, 输入属性名为 LDiffuser,并选择ABg,如图 4.4.13

图4.4.13 131

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3. 设置absorptance值为0,同时选择Solve为BTDF(Bidirectional Transmission Distribution Function). BTDF是具有三种系数的散射表面属性(详细介绍请参阅软件 使用说明指南) 图4.4.14。 4. 使用文件File进行Save保持,将面属性保存到数据库中(一定要保存)。

图 4.4.14

4.3.3 定义光学属性 开始定义光学属性,主要步骤如下: 1. 在导航选项栏中,展开 Diffuser,选中 Surface1,在表面属性设置对话框中 将此面属性设置为 LDiffuser。如图 4.4.15

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图 4.4.15 2. 3. 点击 Apply 运用。 与上面设置方法一样,对package中的surface0与surface1设置为Perfect 133

Tracepro 入门与进阶 Mirror如图4.4.16。

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图 4.4.16 134

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在对光源定义前,我们需要对描光指令进行一些设置。打开下拉菜单 Analysis 选中 Raytrace Options 打开 Raytrace Options 设置对话框, 进行如图 4.4.17 设置。

图 4.4.17 4. 5. 点击 Apply 运用设置。 展开 LED,选择 Surface0,打开属性设置对话框,在表面光源属性设置 栏输入如图 4.4.18。

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图 4.4.18 6. 点击 Apply 运用属性。 到目前为止,光学模型完全建好,现在开始进行描光分析,并且进行比较。 点击图标工具 进行描光以后如图 4.4.19

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图 4.4.19 进行光强度分析前,先对光强度分析指令进行设置,在下拉菜单Analysis选择 Candela Options设置对话框,进行如图4.4.20设置

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图4.4.20

按下图标工具 4.4.21:

,进行光强度分析,并与本节开始提供的分析图进行比较,如图

138

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图 4.4.21 读者可以自行对照,光强度分析的结果。 实际运用中,并没有本书例子这么简单,实际的设计中,我们需要在最接近实际 情况下进行材料属性设置、表面属性设置等,本书将提供一个以大功率 LED 为光源 的矿灯例子,便于读者学习(例子见光盘) 。

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光盘使用说明

为了方便读者练习和进一步提高学习效果, 特将本书中所讲到的实例、 配置文件 等放入随书光盘中。 在 tracepro 目录中有两个子目录: 1. example-file 子目录:包含本书所有实例文件。 2.System-file 子目录:包含本书使用 tracepro 设计时候的系统配置文件。 建议读者在进行本书学习之前,先将所有文件拷贝到个人 PC 上,便于参考学习 之用。

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