TracePro光学仿真及WinTherm示例(legend08fda整理)

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注：在 Autocad 中建模以后进行网格化，再另存为.dxf 图形交换格式，复制粘贴到 Winthem 所在根目录中的 x:\program files\winthem\example 内，才能导入成功，否则不能正常工作。
四、模型建立过程
（一）TracePro 建模及分析
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以上是简易的聚光照明系统的光线追迹简图。实例中前端采用两个凸透镜（从 TracePro 的透镜库 lens 中选取出来的） ，参数也是经过实际测定的；后面采用了平凹镜片，从而使光 线发散。 整个建模过程非常简单， 重点在于选取适当的镜片参数， 保证接收面的光照度均匀。 因此，下面我们分别对各镜片面的光照度进行分析，找出系统的优化环节。 （1） 聚光镜部份 下图为聚光镜部份的组合图：
这类系统光源的像位于成像物镜的入瞳上，保证一定大小的光源的能量进入成像物镜。 而欲成像的物平面放置在聚光镜与成像物镜之间，一般尽量靠近聚光镜。 很明显， 如果没有聚光镜， 光源发出的一定孔径角的光线直接照到透明画面上后再出射
将发散得很厉害， 只会有很少部分光线进入成像物镜， 甚至可能使物平面边缘点的光线完全 不能进入成像物镜。可见，在这种系统中加聚光镜是非常必要的。 三、软件介绍 （一）TracePro 介绍 TracePro 是美国 Lambda Research 公司产品，是一套符合工业标准的 ACIS 固体模型绘 图软件发展的光机软件。它广泛用于镜头杂散光分析，背光板设计，LED 照明，灯具，车 灯，投影显示器在，扫描仪，医疗仪器等领域。目前版本为 4.0，包含主程序与其它 CAD 软件的档案转换工具，其中主程序包含 RC，LC，Standard，Expert 四个版本，可以对真实 场景（Photo realistic）进行计算和显示，具有众多的国内外用户群。 TracePro 模拟步骤分为：建立（修改）模型，定义光学物性，定义（修改）光源，描光 设定及计算，结果分析，报表模型输出等几个步骤。如下框图所示：

TracePro通常处理几何模型的机制
因为它是个 CAD 系统，所以可以处理不常见的几何形状的系统，像支杆，支架，挡板 和六角形反射镜等。所有可以通过 CAD 系统创建的都适用于 TracePro，既可以是用我们的 宏 Scheme 语言生成的或者原始文件。TracePro 最重要的一个方面是容易上手。用鼠标 drag 和 drop 操作就可以移动物件。用系统树形结构，细节、物件类型、物件名称、面和材料特 性都就可以删除、修改和添加系统几何模型。可以通过程序内建的 Boolean 逻辑运算，进行 与系统原始几何模型交集、 加法和减法运算， 产生一个全新的几何模型。 在系统创建过程中， 可以反复用 undo 和 redo，使要完成的任务很简单地回到某个起始点。 （二）Wintherm 热分析软件介绍 Wintherm 是一款交叉平台热分析及红外建模软件工具。它可对三维热对流、传导及辐 射进行建模， 其输出为各部分的温度图像， 可在集成的后处理软件视窗平台中进行仿真观察。 Wintherm 也可在 Autocad 中进行建模，通过网格化为元素、部件及系统 3 输出为.dxf 格式的图形交换文件，再导入当中进行热分析，能输出每个面元的热能量交换情况，模拟整 个成像链和实时显示图像。 能够快速模拟和精确求解稳态和瞬态传导、 对流和辐射及一维流 动， 处理最复杂的系统与环境热问题。 软件配备了除几何模型外所有热分析相关的各种材料 参数、边界条件和自然环境条件，用户只需输入几何模型就能轻松完成热分析。其热仿真原 理框图如下：
在 TracePro 中建立模型可以利用 CAD 软件，如 SolidWorks，Pro/E，Catia，UG 等建立 三维实体模型后导入 TracePro；它可以读取 Zemax，OSLO，CodeV 的镜头文件。也可以在 TracePro 中利用自带的 Insert 命令来建立.oml 格式文件。 注： 在 AUTOCAD 中建立模型时， 注意文件格式的兼容性。 两者都共同对.sat 格式兼容。 在仿真过程中， .sat （SAT 是 ACIS 文件格式） 格式的文件面元性质保持较好， 而 IGES， STEP 文件不是很好， 且是基于线元来保存数据的， 因而修改不是很方便。 TracePro 要在 SolidWorks 中建模，须购买 SOlidworks Bridge 插件才能导入其中，否则不能使用 SW，也不能导入 TracePro 中来。 TracePro 的优点总结有以下几点：
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②以下为照度图：
可以看出，圆形照度图中心部份亮度较大，边缘部分的亮度只有中心亮度的一半左右。前面 已经分析出聚光部份的照度分布比较均匀， 因而只有到成像物镜部分来寻求改进方法。 将成 像物镜的结构图截取出来如下：
右边的透镜即为成像物镜。 通过调整透镜的曲率面的参数可以有效地使照度分配均匀些。 前 端面的半径为 R 30.71608 ，后端面的半径为 R 100.1973 。其照度图为：

能够对系统和光源进行几何模型的建模
TracePro 中的系统和光源的几何模型的建立很容易，以通过任何 SAT 产品输入几何模 型（SAT 是 ACIS 文件格式） ，也可以输入 IGES 或者 STEP 文件，或者在 TracePro 内部创建 几何模型。TracePro 是完全非序列性追迹的，光线的发射是面光源或者网格发射。这些光线 与每个面相交，当光线在每个面反射、透射、散射和吸收时，对光线的光通量进行追迹。
二、系统原理及说明
在一些光学仪器工作的时候需要应用聚光照明系统， 如投影仪和放映机， 它们是要使图 片等成像在屏幕上以供观察，但图片等都是不发光的，要求有光源照明。同时这种系统多是 把被成像物体通过投影或放映物镜在屏幕上成一个放大的像， 图像放大更要求有足够的光线 照明。除要求较强的光源外，为了充分利用光源的光能和屏幕上照度均匀，就需要加一个聚 光系统。这类仪器的工作情况如下图所示。整个系统由光源、聚光镜、成像物镜组成。由光 源发出的光线经聚光镜会聚而照到物平面(即要投影和放映的透明画面)上，再经成像物镜成 像于屏幕上。 聚光照明系统根据照明方法不同可分为二类： 光源成像在物平面上； 光源成像在成像物 镜的入瞳上。由于在第一类系统中如果光源表面亮度不均匀或明显地表现出灯丝的细小结 构，则在像面上也会表现亮度的不均匀。故要求光源表面亮度比较均匀，同时光源像与物平 面之间要有一定的离焦量；在第二类系统中，聚光镜的口径略大于画面，可以把整个画面照 亮。这类系统的优点是照明比较均匀，这种方式又称为柯拉照明。 以下是系统结构图。
其边缘亮度为中心亮度的 70%左右。由于人眼对亮度的感觉较为敏感，故照度的均匀性十 分重要。 以下为光强度的方向分布图：
可以看出，其光强的分布角（孔径角）约为 17 。 由上分析可知，由于镜片的象差存在，孔径角过大会引起傍轴条件的破坏，因此，照度分布 会不均匀；且衍射的存在，受衍射极限的限制，孔径角应约束在一定小角度内，采取加长有 效工作长度（反射式）来达到投影面的尺寸指标。 所学知识：深入了解了光线追迹的原理，熟悉了 TracePro 软件的运行模式及相关操作，指 标判读和与其它软件的配合使用性能及兼容问题。 待改进之处：在建模之后应在 zemax 中进行象差较正，符合尺寸设计，再在 TracePro 中进 行光线追迹，分析各技术指标，从而进行优化改进。
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从以上的照度图可以看出，此部份的照度比较均匀，只需进行象差的进一步纠正。 （2） 接收面 ①结构图如下：
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接收面距离最后一个透镜面大约 2 米左右。
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通过光线追迹可以看出， 最后一个成像物镜的边缘有杂散光进入成像系统中， 因而可在第二 透镜之前加一个光阑，从而挡住部份的边缘杂散光，效果图如下：

TracePro的可视化
TracePro 的优点是可以显示问题出现的区域。能够建立渲染的模型、网格模型和侧面轮
廓图，它通过观察覆盖在几何图形上面的光线来显示散射、吸收、折射和反射。光线的传播 的过程中，可以连续输出每一个面上光线的情况，直到光线最后被吸收。 TracePro 可以进行完全的可视化， 包括系统的几何模型、 用来表示通量强度的表面光线、 全部的方向和位置的输出、 使用户可以发现和确定设计中的问题区域。 通量的强度的可视化 的表示方法是： 红色表示能量高的光线、 绿色表示中等强度的光线、 蓝色表示低强度的光线。 将通过系统的光线的能量很容易输出到支持 windows 剪贴板的产品中去，来进行完全的表 格化分析。 TracePro 的输出包括标准的 2D 和 3D 的辐照度/光照度，iso－candela 图，但直接输出 到其他支持 windows 剪贴板功能的产品中去。 TracePro 还是唯一一种可以在曲面几何模型系 统中产生 3D 辐照度的程序。它还能够通过表格用入射面的历史情况和光线传播路径的历史 情况追踪实际的信息。它可以给出系统中每个面上和物件上完整的通量报告：能量损失、吸 收和入射通量。
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参考资料
[1] [2] [3] [4] "TracePro 漫射光的仿真." 安连生, 应用光学（第三版）, 北京理工大学出版社, 2002. 架构科技, 精通 AUTOCAD2006 中文版 机械设计, 电子工业出版社, 2006. 曹. 赵汝嘉, SolidWorks2006 工程应用教程 基础篇, 机械工业出版社, 2006.

（二）Wintherm 分析 我们选取 Wintherm 中 examples 库中的 pan.tdf 文件，通过这一简单的例子来阐明这一 软件的功能及分析性质。
在 Autocad 中建模后， 注意将托柄、 盘子及底部温度丝用三个图层建模， 从而在 Wintherm 中导入后成为三个部分（parts） 。
第二章大作业 问题重述：
• • 用 TracePro 光学机构仿真软件设计一种光源； 选择一种目标，用红外热仿真软件 RadTherm 或 WinTherm 进行仿真。
一、解题思路
1、 本例中拟设计一种聚光照明光源， 如投影仪， 通过 AUTOCAD 建成模型， 再导入|TracePro 软件中进行光线追迹，得到接收面的光强分布图，从而进一步分析模型的合理性及实用 性。 2、 将 AUTOCAD 生成的模型进行网格划分，再导入 WinTherm 中，进一步网格细分化，从 而生成 3ds 网格平面面元格式的热分析文件格式，方便热分析和仿真。 注：由于本文中没有实际的光学系统的具体参数，因而为了不失真，特别引用 TracePro 中 自带的透镜(lens)来进行建模，这样就解决了透镜参数不知情况下也能一定程度上保证模型 的真实性。