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用於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廠商網上提供CAD檔，如Cree，OSRAM，Philips Lumileds，Bridgelux。
光線文件導入
可以將光線檔可以動態地載入到FRED的光源定義中。
一些LED廠商網上提供光線檔，如Cree，OSRAM，Philips Lumileds，Bridgelux。
數位化工具
資料表產生的資料圖光譜（曲線）圖可以被數位化，並用於生成光源波長。
資料表產生的角分佈曲線可以被數位化，並用於光源能量切趾。?
2-D機械圖紙可以被數位化，並用於生成精確的幾何形狀。
極座標計算下的強度
可以計算出角分佈，從而與廠商的規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資料（例如RGB值和色度座標），也提供彩色圖像分佈的視覺效果情景圖。
視覺化視圖
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，或者用於系統的視覺化演示中。
FRED中的實際案例：創建LED模型
越來越多的LED廠商提供在其網站上的提供了CAD模型和光線檔（Cree,，OSRAM，Philips Lumileds和Bridgelux ）。第一種方法描述了使用CAD幾何體和光線檔導入和創建LED模型。第二種方法描述僅使用資料表說明來建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格式的檔。在CAD導入對話方塊包含的選項如給曲面和曲線隨機分配顏色，創造和獨立繪製曲線，將模型以陰影曲面或線框的形式顯示，並分配預設的光線追跡控制集。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模型相對於系統中的其它元素處於正確的位置。
圖1、LUXEON Rebel LED的CAD模型導入到FRED，顯示線上框中。
2、導入光線文件
可以將光線檔直接載入到Detailed Source的“Positions/Directions（位置/方向）”標籤中，如2圖所示。在FRED中支持的光線檔案格式有：FRED緊湊型光線集（* .fcr）；ASAP分佈文件（*.dis）；ProSource二進位格式支援從Zemax、OPTICAD和TracePro中匯出的檔；支援LightTools和TracePro的ASCII /Text格式；LucidShape二進位檔案。FRED允許用戶決定是使用光線檔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。
圖2、Detailed optical source（詳細光源）對話方塊顯示導入光線檔的選項。
3、設置正確的功率和單位
取決於導入的光線檔的格式，FRED可以讀取並為LED光源分配一個功率值，在彈出的視窗中顯示功率的設置。可以查詢LED資料表來驗證該值，因為廠商通常會針對不同功率的LED提供單個光線檔。如果光線檔中沒有指明功率大小，則預設值為1。可以在Detailed Source（詳細光源）的Power（功率）標籤中輸入光源功率。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，白色繪製的是新定義的光源光線。
圖3：從光線檔中導入光線的LED模型
4、數位化光譜
FRED有一個易於使用的數位化工具，它可以從一張BMP或JPEG格式的圖中提取光譜資料點，如圖4所示。數位化的光譜可以被分配給光源。每個FRED文檔都有專門用於創建、管理、和繪製光譜的資料夾。光譜可指定為高斯，黑體或採樣。採樣的光譜類型是數位化光譜的一個合適選擇。
圖4、基於資料表中光譜能量分佈曲線的Amber LUXEON LED光譜的數位化。
5、模型驗證
FRED極座標網格計算的強度與資料表提供的角分佈結果對比，可用於驗證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、計算和在球形極座標網格上顯示光強資料設計的。圖5顯示了Lumileds LUXEON Rebel的角分佈圖（左）與相應的FRED模型分佈（右）良好的一致性。
圖5：LUXEON Rebel LED的角分佈圖，（左）廠商提供的圖，（右）FRED模擬的圖。
方法2：僅僅使用資料表
1、創建光源
創建一個新的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。輸入所需的光線數目並使用Isotropic（各向同性）角分佈將光線方向指定為“一定角度範圍內隨機進入”。角度分佈圖將被用於定義光線的方向（步驟4）；將分佈設置為Isotropic設置確保了不存在二次內部切趾。角分佈圖代表了遠場輻射方向模型，所以應使用小的光線網格（在遠場中發射器近似為一個點光源）。
2、設置正確的功率和數位化光譜
按照上述方法1中所述步驟3和步驟4操作。
3、數位化的角分佈作為功率切趾
就像可以為光源分配數位化光譜一樣，也可以為定向功率切趾分配數位化角分佈來模擬LED的角度擴散。線性和極座標圖都可以被數位化。圖6示出的一個極座標切趾圖的數位化。簡單的LED燈模型是通過這一步完成的。
圖6、基於極座標圖的Amber LUXEON Rebel LED的角分佈的數位化圖像
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佈，來比較上述的兩種方法，如圖7所示。兩個模型用5000000條光線進行了模擬，分佈看起來非常相似，主要區別在於光線檔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，屬於近場區域範圍，輻照分佈也非常相似。
圖7、距離光源2、4、8、16毫米時的照度分佈。在模擬模擬中使用了5M條光線。處於每個距離的兩幅圖像有相同的規格。
專注於FRED的一個工具：彩色圖像
FRED有一個分析工具，Color Image，用於彩色視覺化和色度計算。例如，可以組合不同權重的多個波長，並合成相應的顏色。圖8顯示出了四個不同顏色的LED燈透過准直透鏡並照射螢幕上。渲染的彩色圖像顯示在3D視圖在螢幕上。使用FRED的視覺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視窗。
圖8、四個單波長的LED穿過准直透鏡並在螢幕上重合。混合四個LED得到的彩色圖像由彩色圖像由彩色圖像分析功能進行渲染，並通過視覺化視圖功能顯示在3D視圖中。
圖9、彩色圖像分析結果視窗顯示4個窗格（左上至右下）：RGB值渲染的彩色圖像；X灰度橫截面；Y灰度橫截面；色度圖與色度座標。
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。准直透鏡置於發射器的前焦點，准直透鏡不僅提供了良好的准直效果，而且將發射器的結構成像到遠場中去，如在螢幕上看到的。如果達到的效果是不理想，經常會出現的情況，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，改變發射器的焦點，結構消失了，如圖10所示。光束更加發散，但只是只發生了微小的改變。非成像光學器件，例如一個收集器或反射器，也可用於引導光線，而無需創建不需要的結構。
圖10。將透鏡稍微遠離LED時的顏色渲染，可以消除圖8中顯示的發射器的結構看出
|
