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tracepro学习---2010用于生产实习


生产实习之光学设计—— TracePro 基础
工具:照明设计软件TracePro 更多资料请登录:http://210.45.246.42 下载

仪器学院 郎贤礼 2010年7月

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常用成像光学与非成像光学设计软件
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Zemax (主要用于

光学成像设计) http://www.zemax.com/zemax/index.html ? OSLO (主要用于光学成像设计) ? http://www.lambdares.com/products/oslo/ ? Code V (主要用于光学成像设计) http://www.opticalres.com/products_f.html#codev ? LightTools (成像与非成像光学) http://www.opticalres.com/products_f.html#lighttools ? TracePro (成像与非成像光学) http://www.lambdares.com/products/tracepro/ ? ASAP (成像与非成像光学) http://breault.com/software/asap.php

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照明设计包
? 常以光学成像设计软件的输出作为输入,以建立 更为详细地系统性能分析。 ? 也可用于分析复杂的照明分布系统的分析。 ? 要求设计者更加详细地理解以及更高级的知识。

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ASAP
? 主要特点: ? – 具有构建模型功能: ? 如光学同机械器件、各种类型的光源、相干系统. ? – 转换能力: 其集成式的互换可实现CODE V, OSLO, 和ZEMAX 透镜设计光学模块的直接读入. ? – 额外模拟工具/功能: ? 如各种可视化绘图; FMVSS (Federal Motor Vehicle Safety ? Standards) 照明测试(ELTM Module)

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LightTools
? Optical Research Associates (ORA?)公司 ? LightTools是一个全新的具有光学精度的交互式叁维实体 建模软件体系,提供最现代化的手段直接描述光学系统中 的光源、透镜、反射镜、分束器、衍射光学元件、棱镜、 扫描转鼓、机械结构以及光路。 ? 主要功能:
? 系统建模 光机一体化设计 复杂光路设置 杂光分析 照明系统设计分析 应用领域:利用LightTools已成功地设计了多种照明系统,包 括投影系统、平板显示器、仪表盘照明、内窥镜照明、报警 灯、汽车前灯、车厢内部照明、指示牌照明等等,从而结束了 照明光学系统没有可靠的计算机辅助设计工具的历史。

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TracePro
? TracePro 是一种具有输入、输出、以及内部3-D模拟的虚 拟建模系统 ? ? 主要应用: ? – 照明系统分析 ? – 车灯照明、远光灯、尾灯、室内或仪器照明的的分 析。 ? – 照相系统 ? – 红外成像系统

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几种软件包的价格比较

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工欲善其事,必先利其器
? 工欲善其事,必先利其器 ? 安装:从192.168.0.1/共享/tracepro/下载整个安装 包。 ? 在TracePro.3.22/ TracePro目录中点击setup.exe安 装,请安装在D盘 ? 在TracePro.3.22/ Crack目录中运行tpro322.exe ? 复制TracePro.3.22/ Crack/目录中license.dat到安装 目录。 ? 从开始菜单中启动,选择network license,在 license.dat所在目录选择license.dat,点击OK,就可 以了。 ? 在版本选择中expert,tracepro就可以正常启动了。

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TracePro 介绍

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 是一套能进行常规光学分析、设计照明系统、

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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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照明系统示意

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TracePro功能和版本
? 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,可以至 http://www.spatial.com/ 查询利用 ACIS 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。 ? 版本:3.3

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参考资料
? TracePro 学习秘笈 ? TracePro 入门与进阶 ? TracePro手册 ? 辐射度 光度与色度及其测量,北理工出版 ? Lamps and Lighting(光源与照明),J.R.柯顿 等 复旦大学出版社.

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一些有用的网址
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? http://www.opt.org.cn http://www.lightingbbs.net http://www.oecr.com/bbs/index.asp http://www.opto-tech.com/register.php http://www.opticsky.cn/read-htm-tid-935.html http://www.33tt.com/ http://blog.scoptic.cn http://www.lambdares.com/downloads/index.phtml http://www.cyqdesign.com/soft/softdown.asp?softid=597 http://www.oeol.org/bbs/ http://www.9iv.com

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TracePro的光线追迹 ? TracePro是一个实体模型的光学分析软件,TracePro用 “普适光线追迹”技术来追迹光线, ? 这种技术允许你引入光线到一个模型,而在物件和表面相 交处并没有引起额外的损失。在每个 ? 每交点,个体光线遵从吸收、反射、折射、衍射和散射定 律。 ? 当光线在实体中沿不同路径传播时,TracePro跟踪每条光 线的光通量。TracePro计算光的 ? 吸收、镜面反射及折射、衍射和散射能量。

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为何要进行实体建模
? 实体建模是用一块块的虚拟材料在计算机中构造模型,如 同你用实际材料建立实际硬件一样。利用实体建模,你可 以确信你建立的物体在实际中可以建立的,而且你可以得 到建模的连贯性,避免许多建模的错误。实体建模正广泛 地为机械设计者所应用。它被应用到所多有限元分析 (FEA)程序和机械计算机辅助设计(CAD)中。 ? 利用实际建模有利于光学程序的原因基于如下几个方面:
? 1. 它使用已有的技术来建立有形系统,包括Non-Uniform Rational B-Spline(NURBS)表面。 ? 2. 它可以和其它设计分析程序共享和交换数据。 ? 3. 它把相关的材料属性如折射率与模型中的实体物件连接起 来。 ? 4. 它防止一些共同的建模错误发生,如用五条边建立一个立方 体。

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实体建模方式
? 立体建模使一项用虚拟物质建立计算机模型的技术,它就 像你用真实的物质建模一样。一个三维立体模型被定义为 由有限的表面组成。通过立体建模你可以避免普通建模的 很多错误。你可以相信你所建的模型外形上使正确可信 的。TracePro拥有许多方法来建模和对模型进行操作。 ? ? 可从其他立体建模程序导入 ? ? 可从镜头设计程序导入- TracePro将自动生成立体模型 ? ? 可用TracePro建立块,柱,锥,球面和薄纸thin sheets. ? ? Create solid objects needed for optomechanical systems 包括光学元件,反射体,集中体concentrators, 菲涅耳透镜,baffle vanes. ? ? 通过布尔运算建立复杂模型,布尔运算包含:相交,相 减,联合 ? ? 通过Sweep和Revolve命令对模型进行修改
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TracePro如何执行实体建模?
? TracePro是基于一个叫ACIS的特定实体建模引擎的,它由 Spatial公司开发的。利用ACIS,TracePro可以很方便的 与其它基于ACIS的软件共享实体模型数据。目前有200多 个应用程序是基于ACIS的。TracePro也可以与其它非基于 ACIS的CAD和分析程序交换IGES和STEP文件,并可以利用 可选ACIS转换模块导入镜头(lens)设计文件。 ? 在TracePro建立的任何实体都会被当作是一个模型 (model),在模型中的每个个体几何体被称为物件 (Objects)。在TracePro中,用实体建模的方法要求物 件的表面是相邻的。物件可是用TracePro来定义,也可以 用其它软件(如CAD)之后再导入TracePro。TracePro实体 模型中的物体可以进行各种操作,包括把两个或更多的物 件并成一个。

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为何要用Monte Carlo光线追迹?
? 在TracePro建模时,运用Monte Carlo算法来模拟光线的散 射(scattering)和衍射(diffraction). 在没有散射 scattering )和衍射(diffraction)的情况下, 光线是 以离散的方式存在. 但是,当光线被物体表面散射之后,离 散的光线分布会转变成连续的. 这些光线的分布会一直传 播到下一表面,在经过又一次散射后又会形成新的分布, 如此循环, 直到光线的强度达到可以忽略的程度。按照这 样的方式对光线进行建模需要庞大且相当复杂的程序来实 现。 ? Monte Carlo算法是一种用于计算随机过程所产生结果的 一种技术。它曾用来对只能用统计学分析的量子力学过程 进行描述。Monte Carlo算法应用于光线传播,同样可以 作为一种数值积分方法来描述它。它被应用于传统的数值 积分方法不能解决的问题。

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为何要用Monte Carlo光线追迹?
? 在运用Monte Carlo算法进行光线追击时散射和衍射被做 为一种随机过程。用离散的分布,或者光线试样传播来代 替连续的光线分布传播。这些试样是以散射的分布作为概 率密度随机采集的。 ? 这就使更好的光线追击技术被用来模拟光线散射成为可 能。 ? 在 “brute force” Monte Carlo光线追击中,光线的方向 是随机选取的,通过对大量光线的模拟,能够得到值得信 赖的模拟结果。TracePro 通过运用缩减变量技术 (variance reduction)来减少得到可信结果所需的光线 数量。

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图形化用户界面
? TracePro运用易于使用的图形化界面对模型进行观察,添 加,运用材料属性,表面属性以及光源属性。界面中有许 多快捷工具按钮和常用命令弹出菜单。通过单击鼠标右键 可以将其打开。 ? 模型的几何形状将显示于窗口之中。当你打开一个 TracePro文件(指的是模型文件),模型将会以侧视轮廓的 形式显示于窗口之中。此时的坐标系为y-z坐标系,y轴指 向上,z轴指向右。 ? 多窗口显示 ? TracePro拥有多文档都图示的用户界面。这就意味着 你可以同时打开多个文件机模型文件,而且你可以将一个 模型的不同视图同时打开。要打开同一模型的多个视图, 只需鼠标选择你需要的模型窗口,然后选择Window|New Window菜单.。一旦多模型窗口建立,你就可以在各个窗 口中进行独立的视角控制。同普通窗口一样,各窗口可以 平铺,层叠,最小化。
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系统树(1)
? 系统树位于模型窗口的旁边,它用分级结构显示模型的物 体和表面。在复杂的模型中,它提供 ? 一种方便快捷的方式来对物体和表面进行选取。通过拖动 窗口的边框,可以将系统树显示出来。 ? 系统默认的系统树位于窗口的左边。不过,你可以用 View|Customize对话框来进行改变。 ? 同样你可以通过Windows|Split 菜单来打开系统树。

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系统树(2)
? 当物件1展开后,你会看到: ? ? 相互独立的表面 ? ? 材料属性目录 ? ? 材料属性名称 ? 将表面项展开后,你同样会看到: ? ? 表面属性 ? ? 可选光源属性(Optional source property) ? 建议将系统树一直打开,它将有助于你: ? ? 使你的工作可视化 ? ? 选取目标

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交互菜单
? TracePro提供对于当前激活的窗口敏感的环境交互式菜 单。建模窗口式经常显示的窗口,它的 ? 拥有主菜单(文件,编辑,视图等等)。主菜单在属性编 辑器或分析窗口打开或被激活后会发 ? 生变化。手册后面会介绍这些窗口,但需要注意的是活动 窗口控制菜单工具栏。要返回一个特 ? 定的菜单,点击所希望的窗口或从窗口(Window)菜单列表 中选择。 ? 另外,每个窗口会拥有一个活两个弹出窗口。通过右键单 击可以激活它们。

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物件与表面
? 更改名称,对于用“Object 1” and “Surface 1.”作为物体 名称,对物体命名是比较明智的。它可以使你对物体细节 有较多直观的了解。只需在系统树中点击物件名称即可修 改。注意,物件名称不是唯一识别物件的方式,因为不同 物件可以拥有相同的名称。 ? 选择物件,表面和边缘 ? 通过系统树进行物件选择只需点击与之相应的物件名 称即可。要选择位于物件上的特定表面,首先先确认 改表面所属的物件项目展开,然后单击所需物件表面 的名称。记住这些在系统树中的物件名称是可以更改 的。相应的物件会高亮显示于模型视窗中。一条边沿 在系统树中是不能被选取的。你可以Shift或Ctrl键来进 行多个物体的选取。通过Shift键,你先选择第一个物 件,按住Shift不放,然后在选择第二个物件,两个物 件中的所有物体都将会被选中。如果用Ctrl键选择,则 只有点击的两个物件会北选中。
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法线和向上方向 Normal and Up Vectors ? TracePro采用X,Y,Z相互垂直的3维直角坐标系。通常需 要定义一个平面来对模型进行观察或者对数据进行显示。 该平面按照两各方向相互垂直来定义,即法线矢量和向上 矢量(the Normal and Up vectors)。 ? 法线矢量是垂直于平面的光线,你可以将你的屏幕想象成 一张放在桌子上的纸,于屏幕或纸面向垂直的方向就是法 线矢量。 ? 向上矢量(Up vector)通常是用来指定向上的或者是Y方 向的任意参考方向。一个矩形平面拥有不一样的长和宽, 沿长轴定义向上矢量将会定义高是长的而宽是短的,反之 亦然。

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? TracePro对于建模空间没有进行设定,因此需 要你定义一个矢量组来进行建模。对于光学工 程师和镜头设计者来说像面应该有一个X=0、 Y=0和Z=1的法线矢量,以及一个X=0、Y= 1和Z=0的向上矢量。.照明工程师和灯光设计 师通常认为目标平面对应于法线矢量为X=0、 Y=-1和Z=0,向上矢量为依赖于模型方位的 XZ平面0方位角的方向。 ? 法线矢量和向上矢量确定的平面提供一个灵活 的环境以用来建模和分析模型,使得一些约定 在TracePro 中有很好的兼容性。
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建模属性 Modeling Properties
? TracePro包含有一个关于光学建模,机械材料建模和物体 表面材质属性的数据库。 ? 材料属性 可以应用于某一物体也可以用于整个系列的 物件。这些属性包含折射率,吸收系数,温度及散 射。 ? 定义物体表面边界,通过参数可以精确定义为吸收 体,镜面反射体, specular transmittance, BRDF , BTDF 和表面温度。 ? 光源属性是特殊的表面属性,用来定义表面是如何发 光的。另外的属性用来定义表面和物件的特殊性质。

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非模态对话框 Modeless Dialog Boxes ? 很多TracePro 的操作是通过对话框来完成的。同时有很 多TracePro 的对话框是modeless. 一个 modeless 对话 框意味着你可以在对话框打开的情况下进行操作。 Modeless 对话框使你可以将几个对话框同时打开。比如 说,你打开了Apply Properties 对话框,同样你可以选 择工具栏上的Select Surface 按钮。然后有可以回到 Apply Properties 对话框来进行表面属性的选择。 ? 接下来到建模窗口中选取你想进行属性操作的表面。在回 到对话框选择应用属性按钮来将属性应用于表面。

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例子1Metal Halide Lamp with Elliptical Reflector
? 1、From the File menu select Open. Navigate to the Demos folder and open folder. Select eliprefl.oml and press Open.

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四个设计实例 ? 通过几个基础应用实例更好的将光学系统设计理 论与软件结合,熟悉TracePro的使用。 ? 首先是灯泡与反光罩设计

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例子1Metal Halide Lamp with Elliptical Reflector
? 2、Ray Select Trace, select tracing. From the menu, select Analysis |Trace Rays. Trace Source using discrete wavelengths. In Sources to select None for Grid; select Checked Only for Source; None for File.

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例子1(3)
? 3、Below is an Irradiance Map of the output. Select Analysis|Irradiance Maps (or press the Irradiance Maps button) to see this irradiance map.

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例子1(4)
? 4、You can also plot to see the distribution of of the lamp. To create a candela angular light coming out

create a candela plot, select Analysis|Candela Options to open the dialog box shown below.Set the Ray Selection to “Use incident rays from selected surface” and click Apply button.
Select Analysis|Candela Plots|Polar Iso-Candela to get the plot shown below.

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本环节的任务
? 其它三个例子: ? Create an LED package based on manufacturer’s datasheet;
? 导光管设计实例; ? Lcd背光源设计;

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本环节的考核方式
? 目的:学习光学系统设计知识,方法及熟悉TracePro软件 ? 一、考勤 ? 二、现场上机考试,考试内容 ? 从以下四个题目中任选一个完成(申请优者选前三题选 一):
? 设计一个汽车前大灯实体模型,并分析其发光强度图及照度 图; ? 设计家用节能灯的实体模型,并分析其发光强度图及照度图; ? 设计校园LED路灯实体模型,并分析其发光强度图及照度图; ? 练习生产实习手册上的两个例子,并分析其发光强度图及照度 图;

? 每个人只有两分钟的时间展示自己课程的所得。
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