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[技术]FRED应用说明：照明显示 [复制链接]

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科学家

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只看楼主倒序阅读楼主发表于: 2020-11-25

大多数显示都由几个光学组件组成，其中光源照明显示是最重要的组件。所有的显示都需要一个机械装置来发送这个光穿过或不通过一个创建的文本或图形以便于显示信息。为控制光输出，会用到一个或几个光学仪器来控制所期望的显示信息的角和位置。对这种类型的应用，FRED已经证实了相比传统成型方法它可以节省30-50%的时间和成本。

1.光源

FRED可以模拟在显示系统中能找到的所有的光源类型，包括LEDs（发光二极管）、RGB LEDs、白炽灯、HID、Neon、ARC和荧光灯。支持IGES和STEP格式CAD模型文件导入、单个或多个格子光线的位置和角度切趾、用户自定义的曲面发射模型，测量数据模型可以应到某一表面上其中包括Radiant Imaging Source™模型。几个在FRED中模拟的光源模型如下所示：

2.系统几何结构

系统几何结构可以通过用户图形界面在FRED中直接创建，也可以从IGES或STEP CAD格式或其它设计程序中导入，还可以导入通过ASAP转换输出的文本文件。软件创建表面有多种选择：包括标准平面、圆锥面、圆柱面、椭球面、双曲面、圆环面、多项式表面、Zernike、样条曲面（NURBS）、Meshed(直纹面)、旋转曲线、extruded curbs、复合曲线、样条函数和用户自定义曲面等。一组被选中的表面如下图所示。

因为FRED有多文档界面，在两个文件之间组件是可以剪切、复制和粘贴的。实体在逻辑上可以分成装配体、组件、元件等等级，这与系统的物理布局是相对应的，每个对象都可以置于相对于任何坐标系的位置。任何的表面都可以用隐式曲面或者aperture collection curve来裁剪，它的定义如下。

FRED可以导入IGES和STEP文件是无与伦比的，该软件可以简单地导入平面、二次表面、网格、NURBs和Bezier曲面，还有高于5级的表面，如下面所示的信号反射镜图。一个检查CAD导入好坏的最佳特征是查看在一个简单修改或验证对话框中的Nurb、mesh、Bezier曲线或表面定义信息。

3.控制光输出的光学装置

几乎每一款显示系统都有一些方法控制输出光的角度和空间位置。这些结构包含所有的东西从凹槽、点、表面粗糙度、涂到棱镜上的薄膜。FRED可以模拟所有的这些结构。该产品的阵列函数在模拟成千上万个重复控制的结构是万能的。下面显示了FRED模拟这些结构的例子。

上面显示了两个不同的用于PDA（掌上电脑）背光显示系统。左图显示的是一个点大小为常数的背光，右图显示的是在5个独立的部分分别有5种不同大小的dot。

FRED软件可以很容易地创建凹槽和曲线，然后挤压或旋转这些结构来使菲涅尔和棱镜能按照所期望的方向传播光线。

利用视觉和分析工具信息深入研究光是怎样实现背光传输的。根据用户所选的每一个波长，该软件可以从任何颜色开始进行光线追踪，并且可以很容易地创建正交和透视轮廓使得能够看见光是怎样通过系统又是怎样离开表面的，如上所示。还有更多的功能包括根据光是怎样与表面相交的来改变光线的颜色。可以根据相交后光的反射、透射、吸收或是衍射来设置光的颜色。

也有高级光线操作对话框来选择光线使其按照一个特定的光路传播，或者设定特定的功率或者光线在一个选定的面上停止。用这些对话框可以可视化或分析非均匀照明的问题，还有鬼影和杂散光的问题。您也可以使光在光学或照明系统中的每个阶段进行传播。这是一个很好的方式来了解光是如何传播的及为什么光不能完全离开照明系统或它为什么会在它不应该出现的方向上有光。

在建模和模拟光在背光传播时最大问题是设计多少根光线可以得到可以接受的结果，以及什么时候停止光线可以加速光线追踪。FRED提供了更多的控制来限制光线追迹数目来减少光线追踪的时间，包括相交数量、一个面或多个面的相交数、相对和绝对的功率阈值、每个面和每个实体的透射、反射和散射的可能性。就像您在下面的对话框所看到的那样，可以设定镜像和散射功率阈值、光线交在一个表面的次数以及父级光源产生的子级光线数上限制。这样，用户就可以完全控制来执行分析，你只需要关闭特定的事件来就可以看到问题是否出在镜像上或散射上。

4.显示实例

导光管

FRED可以设计各种形状和大小的导光管，使光从一个或多个光源传送到一个或几个目标。大多数导光管是由塑料制成的，由于成型的问题有漏光现象。FRED针对这些光学器件的可视化能力非常优秀。不仅可以直接在软件中建模或从CAD中导入，并且建立LED和白炽灯的模型也十分容易。最后的阶段就是追迹通过导光管的光线来分析模型中任意面的辐照度和点位置，光源甚至可以是位图（Bitmap）或者字母，同时可以进行吞吐量和均匀性的分析。下图显示了上面所提到的第一个弯曲光管输出可能范围，从点列图到辐照度图、彩色图像分析到强度曲线。

下面的彩色图像显示了在导光管的RGB LED设计中普遍存在的一个问题。虽然上面的点列图描述了所有3彩色LED非常好的均匀性，但是该产品上的颜色图像分析不会显示这个。产生颜色非均匀性的问题是因为特定的LED的选择、视场角和眼睛的视觉响应。

LED照明以及彩色图像能力

每个波长都有其相关的权重和颜色。在FRED中有内置的波长序列和波长权重工具，如明视觉和暗视觉光谱响应函数。该软件可以将波长和权重自动地合成来创建一种给定的颜色，这个功能对于分析和设计需要用色度法计算的系统是非常有用的。下图所示的是在一个面上两种LEDs的可视化照度图，还有在一个面上用三个LEDs合成的彩色图像。

还可以使用FRED的数字化工具来输入用于二向色性的膜层以及在显示中的颜色过滤器和抗反射膜层。简单地找到一个膜层的电子图像（在线目录中找或者从文件拷贝中创建一个jpg或bmp文件。然后利用FRED的数字化功能来输入X和Y的最小和最大点以及将曲线坐标直接导入到一个静态的膜层属性中去。

背光显示

背光可以用在诸多显示设备中，包括手机、个人数字助理（PDAs）、手表、DVD液晶显示器、笔记本电脑显示器、平液晶监视器和许多日常生活中发明的一些新的应用。

液晶投影仪

液晶投影机的是最重要的一个应用，FRED的非序列光线追踪能力用下图进行了演示。由弧光灯发射出来的光线分裂为3种RGB颜色并在立方体组合器中重组并创建了计算机显示图像。这种应用类型中的许多建模问题已经被写入到程序中使得模拟这种类型的显示项目、偏振、多光束路径、彩色图像、高级光源建模以及透镜和反射镜阵列变得简单。想要学习更多的关于在FRED中怎样建液晶投影机系统，可以向我们要“Digital Projector Design with FRED™”（用FRED设计数字投影机）案例说明。

FRED可以对设计的各个方面（弧光源、线栅偏振器、复眼和DMD阵列、颜色滤波器和光束合成器）进行建模来完全地模拟整个LCOS模型。FRED的多功能性、强大的功能性、准确性、建模速度以及光线追迹可视化等特点使得它变成了当今市面上最好的光学模拟软件。

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