4实习报告Tracepro_立案庭实习报告

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第四环节——光学设计上机实践

一.实验概况

实验时间：2013年7月17日-2011年7月18日 实验地点： 合肥工业大学仪器学院平房实验室 指导老师：郎贤礼

实验要求：1.熟练TracePro软件基本功能及实际操作方法； 2.掌握光学器件设计的原理及一般步骤； 3.会对设计好的光学器件进行数据图像分析； 4.能够自己设计简单的光学器件。

二.实验内容

（一）软件介绍

TracePro是一套普遍用于照明系统、光学分析、辐射度分析及光度分析的光线模拟软体。它是第一套以ACIS solid modeling kernel为基本的光学软体。第一套结合真实固体模型、强大光学分析功能、资料转换能力强及易上手的使用介面的模拟软件。

TracePro可利用在显示器产业上，它能模仿所有类型的显示系统，从背光系统，到前光、光管、光纤、显示面板和LCD投影系统。应用领域包括：照明、导光管、背光模组、薄膜光学、光机设计、投影系统、杂散光、雷射邦浦 常建立的模型：照明系统、灯具及固定照明、汽车照明系统（前头灯、尾灯、内部及仪表照明）、望远镜、照相机系统、红外线成像系统、遥感系统、光谱仪、导光管、积光球、投影系统、背光板。

TracePro作为下一代偏离光线分析软件，需要对光线进行有效和准确地分析。为了达到这些目标，TracePro具备以下这些功能：处理复杂几何的能力，以定义和跟踪数百万条光线；图形显示、可视化操作以及提供3D实体模型的数据库；导入和导出主流CAD软件和镜头设计软件的数据格式。通过软件设计和仿真功能，可以: 得到灯具的出光角度： 只需有灯具的 3D模块便可通过软件仿真功能预判灯具出光角度，以此判断灯具是否达到设计目标。得到灯具出光光斑图和照度图： 可以模拟灯具打在不同距离得到的光斑、照度图分布情况,以此判断灯具出光性能。灯具修改建议功能： 如果通过软件判断初步设计灯具性能不符合要求，TracePro 光线可视图可以看到形成配光图每段曲线是由罩那段曲线形成，以提供修改建议。准配光图和 IES 文件： 可导出标准配光图和IES 文件，用于照明工程设计。实际效益通过软件的仿真功能，可以一次次在软件中完成灯具结构不同状态下时的出光性能，而不需每次灯具修改都需开模或做手板后测试才知道，这就大大缩短了产品开发周期、节省开模成本费用、提高产品设计准确性。

在使用上，TracePro使用十分简单，即使是新手也可以很快学会。TracePro使用上只要分5步：

1、建立几何模型；

2、设置光学材质；

3、定义光源参数；

4、进行光线追迹；

5、分析模拟结果。

（二）实验操作（1）建模：

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。比如：建立方块模型，步骤如下

1.选择Insert Primitive Solids中的块选项卡 2.输入x，y，z宽度 3.输入块的中心坐标

4.如果你想旋转块，则输入相对于x，y，z 坐的旋转角

5.点击Insert 按钮创建块 如果没有看见所创物件，可能是它不在视场之内或体积太小。可以通过改口视场大小来进行观察。

再如创建圆柱步骤：

1.选择Insert Primitive Solids中的圆柱选项2.选择圆柱Cylinder radio按钮 3.输入底面中心的XYZ位置

4.输入半径

图4-1 建立方块模型

5.输入圆柱长度

6.如果想要旋转圆柱分别输入相对于XYZ坐标轴的旋转角度。对于Z轴，不存在旋转

7.点击Insert 按钮创建圆柱。

卡 建变的窗标

轴

图4-2 建立圆柱模型

（2）球形反光碗的设计

球形反光碗是使用耐热玻璃（例如：PYREX）压制成型，其内部经高光洁度抛 光处理并涂镀反光膜，可将投影灯的后部光能有效地反射至前方，提高投影灯光能利 用率。

球形反光碗设计步骤：

1．打开TracePro3.24，File → New 新建名为球形反光碗的文件，或使用 CtrL+N建立

2．点击Insert → Retlector，选择Conic类型，形状为球形（Spherical），计算形式为直径（Diameter）,厚度（Thickne）输入4mm，反光碗高(length)为18mm,孔大小为0,半径(radius)为33mm, 起点坐标值和旋转坐标值保持默认。

4．点击Insert，使用工具栏图标区选项缩小图形后，点击下拉菜单View → Render进行渲染。5．使用工具栏图标区箭头工具，在图形区完全选中反光碗，或点中导航选项卡 中 “模型树”Object 1，单击鼠标右键，在弹出下拉菜单中选择Properties,进行 材料属性设置，在材料目录（Catalog）中选择IR,在材料名称中选择派热克斯（PYREX）耐热玻璃，运用（Apply）此属性，吸收、透过和折射率。

6．展开“模型树”中Object 1，球面反光碗有三个面组成。

7．选择表面 1(Surface1)，在单击鼠标左键后弹出菜单中选择Properties 进行面（surface）属性定义,在默认（Default）属性情况下选择镜面(Mirror)，运 用（Apply）完成定义。

8．按下 CtrL,使用鼠标，同时选中表面0(Surface0)和表面 2(Surface2)，相 同的方法设置面属性为完全吸收（Perfect Absorber）。

9．基本完成反光碗设计。读者可以尝试使用改变反光碗位置，然后使用一束平行光射向反光碗反射面，试试效果。

图4-3 球形反面碗设计

图4-4 球形反面碗表面属性

（3）导光管设计

运行Tracepro 用File|New新建一个模型

打开Insert|Primative Solid对话框，并选择Cylinder|cone标签，输入主半径为2，长度为30，并按下Insert，得到圆柱。

添加弯曲部分：选择Edit|Surface|Revolve(旋转填充)来打开Revolve Surface Selection旋转填料选项，输入角度90与弯曲半径25。表面将被围绕用空间或向量定义的轴被拉伸Swept或旋转Revolved。将轴至于（0,-25,30），并定义轴的指向为空间中x轴方向。按下旋转填料Revolve Surface来进行弯曲。

添加细椎体：通过Edit|Surface|Swept打开表面捡伸填料选项Swept|Surface Selection对话框，在拉伸长度Distance框中输入15，伸长角度Draft angle —2度，表面沿着设定长度被拉伸的同时，以2度的角度逐渐变细。最后得到下图。

图4-5 导光管外形

图4-6 导光管光路追迹

应用材料特性：选中导光管，右击选中Properties，在材料Material对话框中，目录Catalog选择塑料Plastic，选择名称Acylic，按下Apply。

安装格点光线：用Define|Grid Source(格点光源设定)打开格点光源Grid Source对话框，更新格点设置Grld Setup标签，使得外半径Outer radius为2，格点图形Grid Pattern为随机Random，并且光线总数Total rays设置为1000，你定义格点位置原点位置为（0,0，-0.1）,修改光束设置Beam Setup，以便有一个高斯分布Gauian（degrees）的角密度分布(剖面)Angular profile和30度的半角Half angles。追迹光线：点击，得到如上图的光路追迹图。

Irradiance Maps，得到辐照度分析图，如下图5.19所示。显示辐照度/光照度分析图：选中面Surface 4，点击

图4-7 辐照度分析

三．考核情况

我做的设计是车灯。模型有2个圆锥曲面反射器，两个方块。用两个有公共焦点的圆锥曲线反光器，我设置的光源为一个小立方体，且6个面均发光，只是表面0和表面1的光通量大些。圆锥曲面反射器1和反射器的曲面表面设置相同，都是镜面mirror。这样可以是光在灯具类充分反射再出射。方块2作为接受面并进行照度分析。下面是模型的参数、表面设置。

图4-8 方块1参数设置

图4-9 圆锥曲面反射器参数

图4-10 圆锥曲线反光器2

图4-11 方块2参数

图4-12 模型表面属性

然后进行光线追迹，光线图如下：

图4-13 车灯光线追迹图

在进行光强分析，图如下：

图4-14 光强度分析

最后进行照度分析，选择方块2的表面

图4-15 照度分析

四．实验感受

TracePro软件是我接触的第二款光学软件,它的实际应用性非常强，能够用于照明系统、光学分析、辐射度分析及光度分析的光线模拟。这次实习使我对Tracepro这个软件有了初步的认识，它主要用于照明系统的设计。整个设计过程包括建立（修改）模型，定义光学特性，定义修改光源，光线追迹，结果分析。由于学习时间有限，也只能掌握到这个层面，要想深入了解，还需花时间去钻研。