光度學與Tracepro軟件使用

光度學與Tracepro軟件使用學習資料：1、光行天下/index-htm-m-bbs.html2、一燈http:///

3、小木蟲http:///bbs4、《Tracepro中文使用手冊》5、《Tracepro入門與進階》一光度學二TheintroductionofTracepro三ExampleforLED一、光度學1、光能（lm·s）：按人眼的感覺強度進行度量的輻射能大小。2、光通量（lm）：單位時間內通過某截面的所有光波長的光能。3、發(fā)光強度（cd=lm/sr）：在指定方向上光源發(fā)光的強弱。4、光出射度（lx）：發(fā)光表面單位面積內所發(fā)出的光通量。5、光照度（lx）：被照明的表面單位面積上所接收的光通量。6、光亮度（cd/m2）：發(fā)光面上單位投影面積在單位立體角內所發(fā)出的光通量。

一、光度學Radiometry輻射計量單位Photometry光學計量單位Name名稱Unit單位Name名稱Unit單位Power功率Flux光通量Watt(W)瓦特Luminousflux光通量lumen(lm)流明Power/area功率/面積Irradiance輻照度Watt/meter2(W/m2)瓦特/m2

Illuminance

光照度lux(lx)勒克斯TracePro

是一套能進行常規(guī)光學分析、設計照明系統、分析輻射度和亮度的軟件。TracePro

提供四種版本：RC：只能仿真反射式光學機構。LC：可以分析較少對象數及光源數的系統。Standard：標準配備，可分析大部分照明及光學系統。Expert：增加RepTile

功能，方便設計多且重復的對象。二、TheintroductionofTracepro各種光學設計如：鏡頭雜散光分析背光板，LED設計及應用照明燈具車燈投影顯示器掃描儀醫(yī)療儀器激光器材各式消費性電子產品等等…它能干什么？兼容性可讀取CAD檔案格式通用格式Sat，Iges，StepPro/E(*.prt，*.asm)CatiaV4，CatiaV5Inventor(*.ipt)可讀取光學軟件格式ZEMAXOSLOCodeVACCOSSigma2000誰在用投影顯示器:中強光電，明碁，臺達，大億，奇景光電，美隆電子，錸德，浙江舜宇…鏡頭：普立爾，佳能(Canon)，玉晶，致申，臺達，葳強，光寶…LED封裝及應用:工研院，仁寶，億光，東貝，光寶，天津光寶，今臺，佰鴻，錸寶，玉景，艾笛森…LCD模塊:友達光電,瀚宇彩晶，廣輝，勝華，瑞儀光電，蕓光，中強，華上，深圳宏瑞光電，國冶星，蘇州冠鑫，世成，李洲…羅技，菱光，精碟，欣昱晟，東莞瑩輝，上海奧姆龍（OMRON），麗清車燈,香港理工大學，ASM等其它燈具，鏡頭廠，車燈，背光源…LED封裝設計過程包括：熱學、光學、材料、力學、電子、封裝工藝及設備。Front.Optoelectron.China2009，ZongyuanLIU，ShengLIU，Statusandprospectsforphosphor-basedwhiteLEDpackaging導航選項卡菜單區(qū)圖形顯示窗口工具欄消息區(qū)

Tracepro包括五個區(qū)域：菜單區(qū)工具欄圖形顯示窗口導航選項卡消息區(qū)使用Tracepro的五大步驟：建模定義屬性應用屬性光線追跡分析1、實體建模（1）建立塊物件選擇InsertPrimitiveSolids中的塊選項卡輸入x，

y，z寬度輸入塊的中心坐標如果你想旋轉塊，則輸入相對于

x，

y，z坐標軸的旋轉角點擊Insert按鈕創(chuàng)建塊第一、建模：實體建模和光學建模（2）創(chuàng)建圓柱選擇InsertPrimitiveSolids中的圓柱選項卡選擇圓柱Cylinderradio按鈕輸入底面中心的XYZ位置輸入半徑輸入圓柱長度如果想要旋轉圓柱分別輸入相對于XYZ坐標軸的旋轉角度。對于Z軸，不存在旋轉。點擊Insert按鈕創(chuàng)建圓柱（3）創(chuàng)建圓錐：選擇InsertPrimitiveSolids中的圓柱圓錐Cylinder/Cone選項卡選擇圓錐半徑按鈕輸入圓錐底面x，

y，z值輸入圓錐底面半徑輸入圓錐長度輸入圓錐頂面半徑如果想要旋轉圓錐分別輸入相對于XYZ坐標軸的旋轉角度。對于Z軸，不存在旋轉。點擊Insert按鈕創(chuàng)建圓錐（4）創(chuàng)建球體：選擇InsertPrimitiveSolids中的圓球sphere選項卡輸入半徑輸入中心的XYZ位置點擊Insert按鈕創(chuàng)建圓球（5）創(chuàng)建單面：選擇InsertPrimitiveSolids中的單面ThinSheet選項卡輸入多邊形各頂點的坐標點擊Insert按鈕創(chuàng)建單面（6）浮動工具欄創(chuàng)建只要對象

2、光學建模（1）透鏡透鏡表面的曲率半徑或半徑每個表面的二次曲線常數(Conic)中心厚度材料類別材料名稱小于

-1雙曲面-1拋物面-1到

0橢球0球大于

0回轉橢圓體

oblatespheroid二次曲面常數表（2）反射體對話框設置有6個選項卡來對不同的反光體或聚光體進行設置：A、二次曲面Conic

B、3D混合物3DCompoundC、凹槽Trough(圓柱Cylinder)D、聯合凹槽CompoundTroughE、矩形聚光器RectangularConcentratorA、二次曲面二次曲面反射體由二次曲線旋轉而成。這些曲線為：圓Spherical拋物線Parabolic橢圓曲線Elliptical設置二次曲面參數：面型(e.g.圓形circular,橢圓elliptical,等等.)長度Length(從頂點到反射體邊緣的距離)直徑Diameter曲率半徑Radiusofcurvature(球面spherical)焦距Focallength(s)(非球面nonspherical)厚度Thickness孔的半徑Holeradius(位于曲面頂點的可選的孔)原始坐標Origin(頂點的x,y,z坐標)旋轉Rotation(相對于頂點的x,y,z旋轉角)B、3D混合物3DCompoundC、凹槽Trough(圓柱Cylinder)

D、聯合凹槽CompoundTroughE、矩形聚光器RectangularConcentrator3、布爾運算（BooleanOperations）相交（Intersect）相減（Subtract）聯合（Unite）平掃（Sweep）旋轉（Revolve）使用Tracepro的五大步驟：建模定義屬性應用屬性光線追跡分析第二、定義屬性1、表面屬性SurfaceProperity2、材料屬性MaterialProperity3、體散射屬性BulkscatterProperity4、漸變折射率屬性GradientIndexProperity5、RepTile屬性6、熒光粉屬性FluorescenceProperity7、薄膜堆層屬性ThinFilmStacks1、表面屬性SurfaceProperity表面屬性定義一個表面的吸收、BRDF（反射散射）、BTDF（透射散射）、鏡面反射和透射。2、材料屬性MaterialProperity3、體散射屬性BulkscatterProperity4、漸變折射率屬性GradientIndexProperity5、RepTile屬性1、建立LCDPanel；Insert>PrimitiveSolids2。定義材料屬性；在導航選項欄的模型樹中選中LCDPanel，右擊選中Properties>Material聚碳酸酯3、編輯RepTile；Define>Editproperty>RepTileproperties4、建立一個目錄；AddCatalog，命名為Exercise5、點擊增加(Add)RepTileProperty命名6、輸入With=5，Height=5，輸入Radius=1mm，Depth/Height=1mm；7、點擊保存按鈕，保存在數據庫中；8、導航選項欄的模型樹中選Surface2；9、打開屬性編輯對話框，選擇RepTile設置欄；10、在屬性名稱里面選擇LCD，在邊界形狀里面選擇矩形（Rectangula）,輸入width為98，height為98；11、Apply；12、View>DisplayRepTiles

邊界中心坐標Tile中心坐標6、熒光粉屬性FluorescenceProperity7、薄膜堆層屬性ThinFilmStacks使用Tracepro的五大步驟：建模定義屬性應用屬性光線追跡分析第三、應用屬性Define>ApplyPropertiesSurfaceSourceProperties（表面光源屬性）表面源是特指在光線追跡中發(fā)出光線的面。在TracePro中有四種表面源屬性。有兩種發(fā)射不連續(xù)波長光

(flux,irradiance)。另兩種發(fā)射連續(xù)波段的光

(Blackbody,Graybody)。Analysis>RaytraceOptions>Radiometric>Radiometric/Photometric步驟選一個面給它定義表面源屬性，你可以在系統樹或模型窗口中選擇選Define>ApplyProperties開啟運用屬性對話框選Surface>Source欄：Flux，Irradiance,Blackbody,Graybody.輸入相應的參數（Lambertian

朗伯）點擊Apply光源屬性檔案光源CREEhttp:///products/ledlamps.aspOSRAM/applications/applications.do?folderId=0&act=showBookmark&favOid=0000000200034c80025d0023使用Tracepro的五大步驟：建模定義屬性應用屬性光線追跡分析第四、光線追跡柵格式光線追跡，源文件光線追跡和表面光線追跡1、柵格式光線追跡Define>GridSource柵格邊界條件柵格點分布樣式柵格密度光通量峰值發(fā)出光線數目柵格的中央坐標

柵格設置表格Attribute屬性Value(值）GridBoundary柵格邊界Annular環(huán)狀的Rectangular矩形的GridDimensions柵格邊界半徑Inner&outerradius(Annular)內徑和外徑（環(huán)狀）Yhalf-height&Xhalf-width(Rectangular)Y

半高度和X半寬度（矩形）GridPattern柵格點分布樣式Rectangular矩形Circular圓形Cross十字形Ditheredrectangular抖動的矩形Random隨機Griddensity柵格密度Numberofrings(circularpattern),OR圓環(huán)數（圓形樣式）或者Xpoints&Ypoints(rectangular,cross,orditheredgridpattern),ORX點值和Y點值（矩形，十字形，或者抖動矩形的樣式）或者Notapplicable(randomgridpattern)無屬性（隨機樣式）Numberofraystotrace發(fā)出的光線數目Calculated(rectangular,circular,cross,orditheredgridpattern),OR系統計算出來的值（矩形，圓形，十字形，或者顫抖的矩形的樣式），或者Userdefined(randomgridpattern)用戶定義的（隨機樣式）PeakFlux光通量峰值Userdefined用戶定義的Centercoordinatesofgrid柵格的中央坐標x,y,zcoordinatesoforiginx,y,z

的初始坐標值Orientationofgrid柵格的方向x,y,zNormalandUpvectorsORx,y,z的法線方向和視圖的向上方向或者x,y,zEulerrotationanglesX，y，z歐拉轉動角圓形樣式N=3n(n-1)+1矩形樣式Nx=Ny顫抖矩形樣式Nx=Ny十字形樣式（奇數）隨機柵格樣式2、表面光線追跡Analysis>TraceRays或點擊光源表面可以用下列方法之一定義：離散波長（光通量或者輻照光源）

連續(xù)波帶（黑體或者灰體表面輻射）3、源文件光線追跡

光源文件包含光線數據的文件可以作為光源插入一個TracePro的模型里面。一個光源文件包含七欄表格狀數據，每條光線XYZ起始位置，每條光線的XYZ方向向量，和一個光通量值。使用Tracepro的五大步驟：建模定義屬性應用屬性光線追跡分析第五、分析(Analysis)

一系列的分析選項可以用來確定方位、區(qū)域和光線追跡后的光能量分布。分析選項有很多種，包括：輝度圖(IrradianceMaps)、照度圖(IlluminanceMaps)、坎德拉圖(CandelaMaps)和通量圖(VolumeFluxMaps),還有詳細光線歷史信息，它們可以保存成數據文件，方便后期處理。1、RaySortingAnalysis>RaySortingRaySorting決定模型窗口光線的顯示，并且也可以用于plotsandtables。要打開RaySorting對話框，選擇Analysis>RaySorting，默認值為AllRays，顯示所有部分的每一條被追蹤光線。

在RaySorting對話框中，SortType的所有選項，除了AllRays，在sorting之前需要選擇一個表面。SortTypeMeaningSurfaceSelectionRequired?AllRays顯示所有光線NoSelectedSurface只顯示打在所選面上的光線YesSpecular(鏡面的)只顯示打在所選面上，并且只經過鏡面反射或折射的光線，散射光線不顯示YesSingalScatter只顯示打在所選面上，并且只經過一次散射的光線YesMultipleScatter只顯示打在所選面上，并且經過多次散射的光線Yes2、

IrradianceMaps光照度圖

Analysis>IrradianceMapsSmoothing

如果Smoothing選項被選中，照度分布將被采用Gaussian平滑公式進行平滑.ContourPlot選擇ContourPlot（等高圖）建立照度分布的地形圖，當選擇ContourPlot時Smoothing功能會自動開啟.LocalCoordinates圖表的坐標注著所選面的同步數據，缺省條件下，圖表的坐標顯示為XYZ球型坐標，點擊LocalCoordinates時顯示為平面的XY坐標。GradientDisplay選中此項時，用連續(xù)梯度的彩色圖代替離散的輪廓圖Converttofoot-candles圖示刻度值和輸出數據轉變?yōu)閒oot-candlesLogScale選中此項時，照度圖以對數的刻度值顯示，主要用于在非常低的照度下，觀察照度分布的細節(jié)。ReliefPlot選中此選項，通過OpenGL.產生3D浮雕。輪廓線

Profiles選中該復選框，會顯示渾度圖/照度圖的截面輪廓圖。Mapcount用來控制數據平滑的程度。3、CandelaPlots坎德拉圖(lm/sr)Analysis>CandelaPlots對話框分成四個屬性頁：方位和光線（OrientationandRays）

極坐標Iso坎德拉圖（PolarIso-Candela）

矩形Iso坎德拉圖（RectangularIso-Candela）

坎德拉分布圖（CandelaDistributions）

坎德拉數據可以從逃離光線、表面出射光線或表面入射光線中收集。逃離光線是所有“離開”模型并“消失在無限遠”的光線集合；出射光線是與表面相交光線的一部分；入射光線是與表面相交光線的集合。對于逃離光線，不需要選擇表面，但出射和入射光線一定要選擇一個表面。光強分析圖（配光曲線）光強分析圖（配光曲線）光強分析圖LED朗伯式配光光強分析圖LED路燈的照度和光強LED路燈的照度和光強照度(illuminance)是每單位面積所接收到的光通量。單位是勒克斯

(lx=lux)，1(勒克斯)=1(流明/平方米)。我們平常所說的桌面夠不夠亮，就是指照度。居家的一般照度建議在100~300勒克斯之間。一些日常的代表性照度：烈日100,000lux陰天8,000lux繪圖600lux閱讀500lux夜間棒球場400lux辦公室、教室300lux路燈5lux滿月0.2lux星光0.0003lux照度分析圖LED光源照度分析圖照度分析圖LED方形陣列Example1led芯片出光效率模擬實例傳統倒裝芯片出光效率模擬1.建立模型首先在Tacepro中建立芯片模型，所有芯片尺寸為350μm*350μm，藍寶石襯底厚度為80μm，然后依次建立3μm的n-GaN，120nm厚有源層，0.2μm厚p-GaN。其中有源層用一個上下表面為朗伯發(fā)光面的長方體代替,總發(fā)光功率為1W。模型結構圖如下：2.定義屬性建立好仿真模型后，對模型各層材料及表面定義適當的屬性如下： 折射率 吸收系數(1/mm) Sapphire 1.78 0 n-GaN 2.42 1.7 有緣層 2.54 125 P-GaN 2.45 1.7 藍寶石與空氣交界面的反射率為7.9%，透射92.1%；n-GaN至藍寶石界面反射率為2.3%，透射97.7%；p-GaN上的金屬電流擴展層的反射率設為95%。由于GaN與有源層折射率差別很小，認為界面的光透射率為100%。3.應用屬性將定義好的屬性應用到合適的物件及表面4追跡光線定義有源層上下表面為朗伯發(fā)光面，總的發(fā)光功率為1W.本次模擬追跡兩萬條光線。出光率=0.28042在藍寶石底面進行球狀粗化，半徑為4微米。粗化后出光率=0.536361、建模（1）Cylinder1Insert>PrimitiveSolid>Cylinder/ConeMajor=3.425Length=1.5PositionX=Y=0Z=-0.2（2）Cylinder2Insert>PrimitiveSolid>Cylinder/ConeMajor=1.55Length=0.25PositionX=Y=0Z=-0.2（3）選著Cylinder2的Surface2，Edit>Surface>SweepDistance=0.5Draftangle=45（4）Cylinder3Insert>PrimitiveSolid>Cylinder/ConeMajor=2.6Length=0.75PositionX=Y=0Z=0.55（5）選中Cylinder1、Cylinder2和Cylinder3，Edit>Boolean>subtract變成Cylinder1（6）重復第二部建立Cylinder2，將其中一個命名為CircuitExampleforLEDExample2（7）建立LED芯片Insert>PrimitiveSolid>BlockName:LEDWidth:X=Y=1Z=0.1CenterPositionX=Y=0Z=0.1（8）熱沉SpreaderInsert>PrimitiveSolid>BlockName:SpreaderWidth:X=9Y=7Z=0.7CenterPositionX=Y=0Z=-0.55（9）建立透鏡Insert>LensElementUnits=Radiushickness=2.5Catalog=PlasticName=pmmaSurface2>Radius=-2.5點擊Position>FirstSurfaceCente