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1、 ASAP-OPTICAL MODELING SOFTWARE BREAULT RESEARCH ORGANIZATION,INC. Optical Engineering Software and Services目录一.概述二.ASAP2.1.ASAP简介2.2.例子2.3.使用ASAP做分析的一般步骤2.4.菜单2.5.如何使用灯泡库文件2.6.物体选择和光线选择2.7.使用SPOTS2.8.光线行进（TRACE）时何时终止？2.9.如何判别杂光并分析？2.10.ASAP编程和PROJECT2.11.使用$SCR命令定做窗口2.12.灯泡建模2.13.对工程师的一些建议三.常用的光度量四
2、.ReflectorCAD Software of BRO 4.1简介 4.2. REF/CAD设计步骤 4.3. REF/CAD菜单 4.4.关于REF/CAD的几个问题五.灯具的光学设计5.1.灯具结构5.2.分解和组合5.3.从基本原理开始5.4.近光光形图参考六.灯光标准E-mail：一 概述灯具照明是一项古老的技术，但是它却随着技术的进步而不断进步。汽车灯具系统包刮光学系统，电路系统，和机械系统。汽车灯具的光学系统是最典型的照明系统：灯泡（光源），有反射镜和配光镜三个部分组成。在进行灯具产品的光学定义时，不应孤立地进行，而应将上述三者结合起来考虑。汽车灯具的主要作用是照明和指示。而其
3、光学定义一直是灯具设计的瓶颈。如何设计出适合复杂路况和行驶安全的车灯(组)，却一直令我们头疼。在国内，真正具有产品设计和开发能力的企业实在太少。现代商业竞争，取胜的关键在于最快的速度推出优秀的产品和服务。如果我们还依赖于工程师们-通过建立原型，在实验室里测试我们的设计想法，在耗时的，昂贵的重复中寻找答案，我们将会因为丧失市场而懊恼不已。光学分析软件可以帮助我们提前预见产品在配光上可能存在的问题,并且彻底地减少开发费用和开发时间。通过对灯光的理解和一些实践，我们可以借助CAD/CAE软件提高我们的灯光设计水平。然而这仅停留在表层上，只有深刻理解了光的行为，我们才有可能创造性地解决问题。二. AS
4、AP2.1 ASAP简介ASAP(Advanced System Analysis Program)是一个通用的功能强大的光学模拟分析软件，有着20年的历史，最新的版本为ASAP V8.0。软件的开发商是BRO(Breault Research Orgnization)。BRO的网站是。ASAP是专为仿真成像或光照明的应用而设计，让你的光学工程工作更加正确且迅速。ASAP让你在制作原型系统或大量生产前可以预先做光学系统的仿真以便加快产品上市的时间。传统描光程序的速度是非常烦琐秏时的，ASAP对于整个非序列性描光工具都经过速度的优化处理，让您可以在短时间内就可做数百万条几何描光的计算。光线可不计
5、顺序及次数的经过表面，还可向前，向后追踪。此外ASAP具有强大的指令集可以让您进行特性光线以及物体的分析，包括： 选择你所要分析的物体上的光线；选择并独立出特定的光线群；列出光线的来源（折射/反射/散射）与以及其路径的变化；追踪光线的来源以及强度，分析出您意想不到的杂散光路！利用ASAP设计灯具，你可以很方便地模拟你的光学模型和光路，并获取分析结果，这有助于节约成本和时间,提高设计的效率和品质，并使设计具有更多的选择空间。更修长,更亮,更轻的车灯的设计，甚至复杂的多光源（例如二极管阵列的灯光分析）都变成了可能。你会发现，ASAP能够帮助你弄清很多令人头疼的难题，这是一件有趣的工作。ASAP的界
6、面如下：其他光学软件介绍：ZEMAX：是美国焦点软件公司所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算Sequential及Non-Sequential的软件。版本等级有SE：标准版，XE：完整版，EE：专业版（可运算Non-Sequential）。TracePro光学机构仿真软件：TracePro是一套普遍用于照明系统、光学分析、辐射分析及光度分析的光线仿真软件。TracePro多变化的应用领域包括： 照明（Illumination）；导光管（Light Pipes）；薄膜光学（Tissue Opti
7、cs）；光机设计（Optomechanical Design）；杂散光和激光泵浦。OSLO：是一套标准建构系统及最佳化的光学软件，最主要地，他是用来决定光学系统中最佳组件的大小和外型，如照相机、客户产品、通讯系统、军事/外层空间应用以及科学仪器等。除此之外、他也常用于仿真光学系统性能以及发展出一套对光学设计、测试和制造的专门软件工具，几乎任何一个有关传播光波的光学系统都可用OSLO来模拟设计。还有有包括渐变式折射率表面、非球面、绕射表面和全像片、透镜数组及干涉变形等。OSLO没有包括对波导和眼镜的设计。CODE V：是世界上应用的最广泛的光学设计和分析软件，近三十多年来，Code V进行了一系
8、列的改进和创新，包括：变焦结构优化和分析；环境热量分析；MTF和RMS波阵面基础公差分析；用户自定义优化；干涉和光学校正、准直；非连续建模；矢量衍射计算包括了偏振；全球综合优化光学设计方法。2.2 例子从一个简单的例子开始。首先，我将借助ASAP自带的建模工具Builder（或ProE或其他3D建模软件），做一个模型：灯丝，反射镜，球冠状玻璃和个屏幕，如下图2.2-1示：图2.2-1其中,反射镜为一抛物面,F=25;球面玻璃透镜的半径=-100.很显然,上面的模型具备了三个部分,即光源,光学元件和检测元件.以下是具体的操作：1. 打开程序ASAP.EXE,点击FileSet Working D
9、irectory,指定工作路径到一目录,例如d:/worker目录-这样做的好处是便于文件管理.2. 点击菜单GeometryBuilder,弹出Builder窗口,于窗口的最左列双击鼠标左键,如下所示输入参数(图2.2-2): 图2.2-2其中， COATING： REFLECTANCE TRANSIMIS 涂覆层 反射系数 透射系数 MEDIA： REFRACTANCE 媒质 折射系数使用Preview All或鼠标右键的Preview，可以观看模型的三维图形（图2.2-3）。 图2.2-3在3D-Viewer窗口中，Ctrl键+鼠标右键，缩放图形；Shift+鼠标右键，平移图形；鼠标右键
10、，旋转图形。3. 确认模型无误后,下面开始分析.(1)点击图标,系统初始化,清空数据(与命令END相同).(2)点击Builder窗口里File下的Run,确定.(3)选择菜单SystemPlot Facets,在弹出的Plot Facets窗口中选中 Overlay Next Plot-0K.(4)选择菜单TraeTrace Rays,在弹出的窗口中选中Plot下的Rays和Every 100th RayOK.(5)选择菜单Analysis-ChooseRays-Consider,如图2.2-4,仅选择PM(屏幕)OK. 图2.2-4(6)选择菜单AnalysisCaculate Flux
11、Distribution，在弹出的窗口里进行如下选择(图2.2-5)图2.2-5(7)选择菜单DisplayGraphicsPicture,以图片方式显示结果,见图2.2-6. 图2.2-6 图2.2-7 (8)很容易发现,图2.2-6显示的数据是不平滑的,这需要作均化处理. 选择菜单DisplayProcessingAverage,如图2.2-8输入参数. 图2.2-8(9)选择菜单DisplayGraphicsPicture,见图2.2-7.(10)选择菜单DisplayGraphicsContour,显示等照度线,见图2.2-9(注意,单位是Flux/sq-mm,而不是Flux/sq-m
12、). 图2.2-9(11)选择菜单DisplayFileSave/Write.这可以将分析的结果保存为*.dis格式的数据文件,以后可以用菜单DisplayFileOpen/Read打开它,而不用再重复前面的工作. 4. 现在,尝试把灯丝平移一段距离3mm,如下在Builder窗口中插入下行（图2.2-10）: 图2.2-10再重复上述步骤,比较结果有何变化.5. 尝试把光线数目由5000改为50万,再比较结果有什么变化.注:由此可以发现足够多的光线参与计算可以有效地减少计算误差.ASAP对光线的数目没有限制.或者，使用3D建模软件建模，将数据（IGES格式）转入ASAP，再进行分析：1.选择
13、Menu:Files-OpenFiles，选择文件类型IgesFiles，选择文件fsj.igs，OK，如图2.2-11示： 图2.2-11ASAP的IGES数据转换界面如图2.2-12下：图2.2-12为对象指定材质属性Modify，完成后点击File-Finish，生成*.inr文件。注：1.必须为对象指定材质属性；2.为便于区分不同材质的物体，最好将数据分开转换。透镜Lense和屏幕PM数据转换界面如图2.2-13： 图2.2-132.按2.5节读灯泡的方法读入灯泡数据3.确认模型正确后，可按上述步骤进行分析。不同的是灯泡数据要从外部读入，另外inr文件的运行（Run）是选择FileRu
14、n进行的。2.3 使用ASAP做分析的一般步骤很显然,使用ASAP进行(灯具)分析的一般步骤是：1.-系统设置System Setting2.-建模Moldeling Optical Systems，如反射镜，透镜，灯泡，屏幕等 3.-（模型检验,图形观察。可省）4.-加载模型数据Run5.-光路模拟Trace6.-选择需要考察的对象Consider，Select7.-分析光斑Spots Position或Spots Direction8.-数据处理Data Processe和显示图表（结果）Graphics9.-结果判断-模型修改-重新分析可以看出：1、2、3为前处理，4、5为数值计算，6、
15、7、8为后处理和显示报表。2.4 菜单1. 程序INR窗口、3D VIEW窗口、PLOT窗口、DISPLAY窗口的文件菜单(图2.4-1，2.4-2) 图2.4-1图2.4-2Preference基本参数的设置可以全部使用默认值。2. System菜单(图2.4-3) 图2.4-33. Rays光源菜单（图2.4-4）图2.4-44. Ray Trace光路计算菜单（图2.4-5）图2.4-5Single Ray Trace验证单个光线的光路计算:由于往往只需要很少的几根光线就可以刻画光学系统的特性，所以在设计初始时，常会用Single Ray Trace来验证我们的设计思路5. Analys
16、is分析菜单(图2.4-6)图2.4-66. Display结果显示菜单（图2.4-7，图2.4-8）图2.4-7图2.4-8Angles角度转换.即,由于AnalysisGraphicSpots Directional生成的结果,其坐标为余弦,需用Angles将其转化为角度坐标,这样结果数据的单位就变成了坎德拉candela.Average由于开始获取的数据是离散的点,因此必须进行均化,使之平滑.Combine将当前数据和一已有的数据(*.dis)合并为一个FFT傅立叶变换(仅用于信息光学分析)Fold将当前的数据沿对角方向折叠,并相加Form加亮图形,使数值放大Modify按像素修改数据N
17、ormalize修正数据,除以系数(Divide by a Data)Range重新设定可以被显示的光亮值的范围(最大和最小)Offset相对于坐标平面平移光斑(有时光斑位置不对,就需要移动光斑到正确的位置,这样按坐标测量的值才是有意义的Section列示光斑数据在截面上的各个点的值Table象表格一样地列示数据Transpose颠倒图形数据Values查询相应坐标点上的数据值,它要求输入点的坐标注：1.照度的单位：在建模时我们习惯于使用毫米单位，则照度的单位是Flux/sq-mm，它是Lux（即Flux/sq-m）的1/(1.0E-6)，读数上可能不习惯，但是可以用Display-Proes
18、sing-Normalize，选Scaling，输1.0E-6，将读数改正过来。2.测量某点的光亮大小：使用菜单Display-Processing-Values；也可以写程序语言，如下 VALUES Y1坐标 X1坐标 点1 Y2坐标 X2坐标 点2 3.像素PIXELS：像素的多少决定了图象质量的好坏，在这里它是指沿图像某一边的分割数，最大为16001600。4.光斑平移OFFSET当我们最终获得的光斑位置与标准有偏移时，可以用Offset命令移动光斑，这时测量的值和灯具标准进行对照才是有意义的。2.5 如何使用用灯泡库文件 ASAP中的每一个灯泡库都包含以下三类文件: *.hlp-说明文
19、件*.lib-库文件*.dis-灯泡的能量分布数据1.使用*.lib数据，以H1灯泡为例：选择菜单RaysCreate Sources-Use BRO Light Source Library，弹出如下窗口：图2.5-1设置参数，OK2.使用*.dis数据，以H1灯泡为例:选择菜单RaysRestore Rays，选择灯泡数据文件H1.dis，OK3.使用*.lib数据的程序格式为:$IO LIBRARY “D:/WORKER/H1.LIB” !Read in the bulb library file&BULBH1_DEFINE 0 0 2.5 +Z +Y 5000 注:BULBH1_DEF
20、INE 0 0 2.5 +Z +Y 5000 中,0 0 2.5为X Y Z坐标, +Z +Y指第一根轴（RED）和坐标系对齐的轴=Z轴，第二根轴（BLUE）和坐标系对齐的轴=Y轴，5000为设定的光线数目还可以加上下述命令来实现灯泡的平移和旋转： SHIFT Z 2.5 沿Z轴平移2.5毫米 ROTATE Z 15 0 0 绕Z轴旋转15度对其他的灯泡,例如H4近光丝:$IO LIBRARY “D:/WORKER/B9003H4.LIB” !Read in the bulb library file&BULB9003H4_DEFINE 0 0 2.5 +Z +Y LOW 5000 (其中,L
21、OW指近光,HIGH指远光)4.使用*.dis数据的程序格式为:使用命令EMITTING DATA来读取灯泡数据 EMITTING DATA“D:/WORKER/H1.dis” 50005.使用*.dis数据具有比使用*.lib文件更快的计算速度的优势，但是也牺牲了灯泡的几何特征对系统光线的影响！2.6 物体选择和光线选择为了区分物体和光线，ASAP提供了两个命令：Consider和Select1. CONSIDER命令用于选择一组物体和这些物体上的所有光线，命令格式为：CONSIDER ALL NONE ONLY i i . EXCEPT ADD REMOVE其中：ALLconsider a
22、ll known objectsNONEconsider no objectsONLYconsider only the objects specified (default is the current GROUP)i i .OBJECT numbers or names to be consideredEXCEPTconsider all objects except those specified (default is the current GROUP)ADDadds the specified objects to the previous CONSIDER commandREMO
23、VEremoves the specified objects from the previous CONSIDER command2. SELECT命令用于选择属于一些物体或某个区域或某些路径的光线，命令格式为：SELECT ALL ONLY entry entry AND entry entry . EXCEPT OR其中：ALLselects all defined raysONLYselects only the specified raysEXCEPTselects all rays except the specified raysAND ORlogical operatorsen
24、try entrysee RemarksRemarks：entryentryijRay number is between i through j inclusiveOBJECTnRay comes from previous object nOBJECT-nRay was scattered from object nOBJECT +nRay was split from object nSOURCEkRay originated from source number kSOURCE-kScattered ray from source number kMEDIAmRay is in MED
25、IA mMEDIA -mScattered ray is in MEDIA mGENERATIONnRay was split and scattered n timesGENERATION-nRay was scattered n timesGENERATION+nRay was split n timesEVERYnRay number modulo n equals one.HITSnRay has hit objects n times-nRay has hit objects n times and has not yet refracted/reflected with last
26、object+nRay has hit objects n times and has refracted/reflected with last objectPATHlRay belongs to lth path from last PATHS commandPATH0Ray belongs to a path not listed by last PATHS commandwWRay has wavelength greater than wWwRay has wavelength less than wfFRay has flux greater than fFf Ray has fl
27、ux less than fdLRay has optical path length greater than dL dRay has optical path length less than drRRay has AXIS radial coordinates greater than rRrRay has AXIS radial coordinates less than rtTRay has AXIS angular coordinates greater than t degreesTtAXIS angular coordinates less than t degreesxXRa
28、y has X coordinates greater than xXxRay has X coordinates less than xyYRay has Y coordinates greater than yYyRay has Y coordinates less than yzZRay has Z coordinates greater than zZzRay has Z coordinates less than zaARay has X direction cosines greater than aAaRay has X direction cosines less than a
29、bBRay has Y direction cosines greater than bBbRay has Y direction cosines less than bcCRay has Z direction cosines greater than cCcRay has Z direction cosines less than c3. CONSIDERHE和SELECT命令可以在分析的任何时候使用，灵活地使用它们，可以让我们轻松地选择我们要分析的对象，和选择某些重要的特定范围内的光线。2.7 使用SPOTS1. SPOTS命令用于产生当前所选光线的几何点图，表达光照度、光强、光辐射强度
30、，它等同于菜单AnalysisCaculate Flux Distribution。SPOTS POSITION u ATTRIBUTE i OBJECT NUMBER s EVERY n title Pc ADD DIRECTION Dc其中：POSITIONspot diagram of positional ray dataDIRECTIONspot diagram of directional ray datauFORTRAN unit number for distribution data filePc spot diagram of positional ray data for
31、 the base ray and/or particular parabasal rays (see Remarks)Dc spot diagram of directional ray data for the base ray and/or particular parabasal rays (see Remarks)ADD adds flux data to existing distribution data fileATTRIBUTE ioutput format control (see Remarks)OBJECT output color controlNUMBER draw
32、 the rays number on the plots optional scale factor for the character sizeEVERY nplot only every nth ray instead of all the currently selected onestitleoptional title for plot (up to 64 characters)2. 菜单AnalysisCaculate Flux Distribution窗口如下：2.8 光线行进（TRACE）时何时终止？ASAP进行光线追踪的基本规则是： 1.如果一个光线束遇到黑体，它将止于该黑
33、体，可以由SPOTS得到该光点； 2.如果一个光线束经一个物体变向且不能再和其他任何物体相互作用，它将止于该物体，可以由SPOTS得到该光点； 3.如果一个光线束的FLUX值低于CUTOFF命令所设定的阈值，它将止于当前的物体，可以由SPOTS得到该光点；4.如果一个光线束与同一个物体作用的次数大于HALT命令所设定的值，它将止于当前的物体，可以由SPOTS得到该光点。 注：HALT n命令和CUTOFF OFF t n命令可以用来约束光路计算的次数，这可以避免光路做对结果影响很小的不必要的计算，从而提高计算的速度。2.9 如何判别杂光并分析？我们往往需要分析某些特殊区域上的光线（例如汽车大灯
34、近光3区的杂光）。做法如下：1. 首先进行一般的计算分析；2. 观察3区的分析结果，确定需要做细致分析的区域大小；3. 使用AnalysisChoose RaysSelect Rays，选择上述区域内的光线；4. 在命令行中输入PATHS 0.1命令，显示如下结果：- PATHS 0.1* WARNING PATHS might not be complete with current XMEMORY MIN setting OBJECTS Path Rays SumTO Percent Hits Curr Prev Split/Scatter . 24 331 6.7E+01 7.3 3 7
35、5 53 0.000 11 318 6.4E+01 7.0 2 75 52 0.000 4 307 6.2E+01 6.8 2 75 54 0.000 21 266 6.0E+01 6.6 3 75 52 0.000 10 283 5.7E+01 6.3 2 75 51 0.000 19 282 5.7E+01 6.2 3 75 54 0.000 9 298 5.6E+01 6.2 2 75 53 0.000 2 212 4.5E+01 4.9 3 75 51 0.000. . 59 7 1.5E+00 0.2 2 75 57 0.000 8 9 1.4E+00 0.2 3 75 57 0.0
36、00 74 5 1.3E+00 0.1 6 75 51 31.100 0.000 90 7 1.2E+00 0.1 6 75 54 31.100 0.000 77 5 1.1E+00 0.1 6 75 70 31.100 0.000 68 7 1.1E+00 0.1 6 75 53 31.100 0.000 80 8 9.2E-01 0.1 8 75 59 0.000 - 169 4914 9.1E+02其中Percent一栏表示相应Path（光束）在选定区域上所占能量的百分数。显然上述数据中Path 24所占的份额最多，为7.3%。Prev一栏表明该束光线由第53号物体发出，由此找到第53号
37、物体需要调整。5. 如果第53号物体不能表明问题所在，则可以使用CONSIDER命令将第53号物体单独选出，同上，再次应用PATHS命令.依次类推，直到找到问题的根源！6. 如果在TARCE时，保存了光路历史数据，就可以用HISTORY命令查看光路的全部信息！注：显然，根据统计学的原理，样本必须足够大，结果才具有价值。所以，建议设定足够多的光线参与计算，例如500万，或者更多。2.10 ASAP编程和PROJECT1. ASAP编程ASAP提供了一个简单易学的编程语言，它是如此的简单，以至于你只要在一些指导下，只需几天就可以利用你的程序做很复杂的事情。BUILDER文件可以直接另存为（SAVE
38、 AS）程序文件（*.inr）。IGES数据转换完成后也能直接生成*.inr文件。前面第2.2节的例子，可以写成下面的程序：SYSTEM NEW !系统设置RESETUNITS MM !单位毫米COATING PROPERTIES !涂层属性 0.82 0 REF !反射 0 0.85 TRANS !透射 0 0 BLACK !吸收MEDIA !媒质定义 1.5 N1 !N1的折射率为1.5 !定义F=25的抛物面为反射镜SURFACE OPTICAL Z 0 2*25 1 ELLIPSE 60OBJECT REFLECTOR INTERFACE COATING REF AIR AIR!定义平
39、面为玻璃的一个表面SURFACE PLANE Z 60 ELLIPSE 60OBJECT GLASS1 INTERFACE COATING TRANS N1 AIR!定义R=-100的球面为玻璃的另外一个表面SURFACE OPTICAL Z 80 100 0 ELLIPSE 60OBJECT GLASS2 INTERFACE COATING TRANS NI AIR!定义一个平面为光屏SURFACE PLANE Z 1000 RECTANGLE 650 650OBJECT PM INTERFACE COATING BLACK AIR AIR!定义光源,光点为螺旋状分布,光通为1200LmEM
40、ITTING HELIX Z 23 27 5 1.5 0.18 5000 FLUX TOTAL 1200RETURN!光路计算,并显示模型和一部分光线WINDOW Z 0 0 Y 0 0PLOT FACETS 1 1 OVERLAYTRACE PLOT 100!考察光点在屏幕上的能量分布CONSIDER ONLY PMWINDOW Y 0 0 X 0 0PIXELS 150SPOTS POSITION !该命令的结果是照度,而改成SPOTS DIRECTION的结果才是强度!用图表的形式反映结果,并测量某些点的亮度DISPICTUREAVERAGE 3 3 !对数据作均化处理PICTURECO
41、NTOUR 15 GRID 100 100VALUES 0 0 CENTER 0 150 P1 0 150 P2 50 0 P3 50 0 P4!将结果保存为DIS数据,RESULT1.DIS是文件名WRITE RESULT1.DISRETURN 在帮助文件ASAP66.hlp和ASAP/doc/manual.pdf文件中有详细说明。 2. 项目-PROJECT:如果你的程序文件数很多，你就要用到PROJECT(项目)来管理你的文件，可以使用AutoRun让它们自动执行。如下图示：这会节约你的时间，而且桌面看起来也会干净一些。2.11.使用$SCR命令定做窗口$SCR命令可以用于定制一些特殊窗
42、口，例如参数选择和提示，分析结果报表等。$SCR使程序修改和报表制作变得容易。命令格式是： $SCR FILENAME.SCR可以参见例子projects/samples/TailLamp/TailLamp.apfVALUES 10 5 P10U5L 10 -5 P10U5R -10 5 P10D5L -10 -5 P10D5R 测量各点的值VALUES 5 20 P5U20L 5 -20 P5U20R -5 20 P5D20L -5 -20 P5D20RVALUES 5 10 P5U10L 5 -10 P5U10R -5 10 P5D10L -5 -10 P5D10RVALUES 5 0 P5UV -5 0 P5DVVALUES 0 10 PH10L 0 -10 PH10R VALU