lighttools光學(xué)模擬軟件使用手冊.ppt

2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,1,LightTools是什麼？,LightTools 基本上是一種具有彈性及效率之光學(xué)系統(tǒng) 模型化的工具，它可以利用蒙地卡羅光線追跡的技術(shù)做光-機結(jié)構(gòu)間的模擬，它可以不必假設(shè)系統(tǒng)之對稱性，做單軸、全域、三維坐標的模擬。 當(dāng)光束穿越整個光學(xué)系統(tǒng)，光束可以自動地分裂為反射，折射，偏振光及散射的分量，當(dāng)這束光穿越整個系統(tǒng)，光束可以包含物體任意的次序，獨立的根據(jù)物理可實施之路徑行進。這類的光線追跡一般稱為“無限制的”或“非序列的”。LightTools所做的就是一個根據(jù)真實光線在真實世界裡的路徑的仿真模擬。,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,2,基本輻射度學(xué)及光度學(xué)概念,輻射度學(xué)是關(guān)與任一波長的電磁輻射定量及量測. 光度學(xué)是完全相同的事,但是限制在人類眼睛有反應(yīng)的波長範(fàn)圍.,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,3,RADINANT FLUX 輻射通量 功率 IRRADIANCE 輻射照度 每單位面積上的功率 RADIANT INTENSITY 輻射強度 每單位立體角上的功率 RADIANCE 輻射亮度 每單位面積,單位立體 角上的功率,輻射度學(xué)的四個基本單位,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,4,光度學(xué)的幾個基本單位,Luminous flux 光通量 功率 Illuminance 光照度 每單位面積的 功率 Luminous intensity 發(fā)光強度 每單位立體角的 功率 Luminance 亮度 每單位面積,每 單位立體角的功 率,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,5,光通量,輻射度學(xué) 光度學(xué) 物理量 輻射通量(Radiant flux) 光通量 (Luminous flux) 單位 瓦特 (Watt (W) 流明(Lumen(lm),單位面積上的光通量,輻射度學(xué) 光度學(xué) 物理量 輻射照度 Irradiance 光照度 Illuminance 單位 W/m2 lm/m2 =Lux(lx),2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,6,單位面積單位立體角的光功率,輻射度學(xué) 光度學(xué) 物理量 Radiant Intensity輻射強度 Luminous Intensity 發(fā)光強度 單位 W/sr 燭光 Candela(cd)=流明/立體 角,單位立體角的光功率,輻射度學(xué) 光度學(xué) 物理量 輻射亮度 Radiance 光亮度 Luminance或Brightness 單位 W/m2-sr lm/m2-sr=cd/m2 =nit,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,7,輻射度學(xué)與光度學(xué)的轉(zhuǎn)換,一個candela發(fā)光強度的單位是定義為556nm的單色 光光源在一定方向發(fā)出每立體角1/683瓦特的輻射強 度 流明是均勻的點光源發(fā)出一個candela的發(fā)光強度的 光通量進入一個單位立體角,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,8,關(guān)與精確度,人們經(jīng)常問“光學(xué)模擬有多精確”。這個當(dāng)然是一位嘗試預(yù)測或解釋實務(wù)系統(tǒng)行為的實務(wù)工程師所必須要問的問題。LightTools做所有的計算都可以採用浮點運算的方式，但這並未告訴我們太多有關(guān)精確的問題。實際的解答必須依賴下面兩件事。 1. 你的系統(tǒng)模型假設(shè)有多好？ 例如，你有精確的量測你的光學(xué)系統(tǒng)表面散射特性嗎？你有包含製造時的公差嗎？是否幾何光線追跡適合你的問題或你必須使用同調(diào)性光束或光束傳播方法去模擬同調(diào)性或繞射效應(yīng)。如果不能準確的提供這些信息給光學(xué)軟體,你必須要犧牲一些參數(shù)來盡可能的趨進於現(xiàn)實,儘管這樣看來,這些被犧牲的參數(shù)可能與實際的參數(shù)相差較大.但這是為了提供更加接近現(xiàn)實而做的犧牲. 2. 追跡了足夠光線嗎？ 當(dāng)應(yīng)用“蒙地卡羅”描述法時，“機會”是（這是統(tǒng)計）趨近法中的必要元素。這期望中的精確是光束數(shù)目的函數(shù)。在實務(wù)上，我們可以加倍光線追跡的數(shù)目，來看答案在預(yù)定的精度內(nèi)是否達到穩(wěn)定。若不穩(wěn)定，則再增加光線追跡的數(shù)目。LightTools提供一個參數(shù)來幫助你評估這個精確度,這就是Error Estimate at Peak值,這個值越低,表示你的結(jié)果有可能越精確,適當(dāng)?shù)奶岣吖饩€數(shù)目會減小這個值.當(dāng)然,這一切只是有可能.具體的情況要看你的系統(tǒng)的具體狀況.,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,9,光線追跡的原理,光線的概念,幾何光線的概念對光學(xué)是非常重要的，至少從牛頓的時代以來，光線經(jīng) 常被形容為垂直光電磁波波前的射線。對我們而言，光線的重要是在光 線可以模擬電磁波能量（單位時間通過的能量或稱為光通量）。光線不 是一個攜帶量子能量的光子，光線所代表的是光能量的連續(xù)傳遞。結(jié) 果，光線追跡的結(jié)果代表的是穩(wěn)定態(tài)的狀態(tài)。只要我們追跡夠多的光 線，只要我們光學(xué)系統(tǒng)空間的尺度遠大於用於所模擬的光波波長，我們 就可以假設(shè)系統(tǒng)與時間沒有相關(guān)，使用光線模擬來獲得高精度的真實光 學(xué)系統(tǒng)行為預(yù)測。,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,10,光學(xué)模擬軟體中光線的概念,任何一本教科書中光線追跡的章節(jié)，都會描述圖中帶箭頭的藍色線為“光線”.但在光學(xué)模擬的過程中,我們需要不同的定義:“光線是空間中帶著方向向量與光通量的點。圖中的這些線只是這些點通過光學(xué)系統(tǒng)的路徑?！惫鈱W(xué)模擬的一切運轉(zhuǎn)都是基於這一點. 光學(xué)模擬軟體以三維卡氏座標 (x、y、z) 在與你所描述幾何形狀相同的全域座標系統(tǒng)中描述光線。這些光線還有一個方向向量及相關(guān)的能量參數(shù)和介質(zhì)屬性伴隨著它。在均勻介質(zhì)中（例如真空或在玻璃、塑膠物件中），光線沿著方向向量移動。在不同介質(zhì)的界面或在反射面上，方向向量改變。當(dāng)光在界面處理時，光通量及介質(zhì)的特性也可能改變，在一個表面上所有光線的這些參數(shù),是我們來評估,分析光學(xué)系統(tǒng)的基本.,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,11,關(guān)與Receiver,Receiver是這樣一種特殊的物體,它為系統(tǒng)提供了一個約定,系統(tǒng)會統(tǒng)計接觸到這一物體的光線數(shù)據(jù).這裡再一次強調(diào)“光線”是空間中帶有能量,方向向量及其他光線追跡所必須的參數(shù)的點而不是一條線. 當(dāng)你的系統(tǒng)已經(jīng)包含Receiver,並進行了足夠數(shù)量的光線追跡後,系統(tǒng)便可以按照不同類型的Receiver來進行不同方面的分析工作. 當(dāng)你需要某一種類型的分析,而該分析命令卻是灰色的時候,很可能是因為你沒有建立相應(yīng)類型的Receiver.而當(dāng)你執(zhí)行某一類型的分析卻得不到正確的數(shù)據(jù)時,很可能是因為你的系統(tǒng)設(shè)定問題導(dǎo)致光線無法正確的到達Receiver或者是你的Receiver設(shè)置了不正確的參數(shù).,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,12,系統(tǒng)初始設(shè)定及用戶界面,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,13,Window Navigator,通過這個窗口,可以查看當(dāng)前狀況下正在使用的窗口名單.單擊窗口的名稱可以激活該窗口,也可以通過右鍵單擊的方式來進行最大化,最小化等操作,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,14,System Navigator,顯示當(dāng)前狀態(tài)下所有元件(包含所使用的材料,定義的膜系,光源,Receiver(檢光器)的名稱及相互關(guān)係.可以通過單擊來查看,選擇或通過右鍵來修改其屬性(properties),2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,15,Preference Navigator,在這個窗口內(nèi),可以查看或修改當(dāng)前的系統(tǒng)設(shè)定(包含單位,光線追跡模式,系統(tǒng)精確度以及顯示圖形時的選項等.可以通過在樹型目錄內(nèi)單擊來查看,也可以使用右鍵來修改屬性或設(shè)置當(dāng)前設(shè)定為默認值,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,16,Console window,在這個窗口內(nèi),可以看到程式運行後生成的工作日誌,以及命令運行後所產(chǎn)生的一些信息,同時,也可以在這個窗口內(nèi)鍵入命令來執(zhí)行.,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,17,Error window,在這個窗口內(nèi),顯示在程式運行過程當(dāng)中所出現(xiàn)的錯誤或警告信息.這些信息通常是必須要引起注意併解決的.如果你的程式經(jīng)常給出這樣的信息而得不到解決的話,那麼模擬的準確性就十分值得懷疑了.,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,18,幾個需要注意的設(shè)定,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,19,3D design viewer window,這個窗口用與執(zhí)行LightTools的大部分操作.同時在3D的顯示圖中可以對當(dāng)前的幾何模型進行選擇,修改.也可以使用右鍵來修改相關(guān)表面的屬性.,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,20,這個面板檔中包含八種類型的光學(xué)元件,通過級連菜單選擇各分類命令.由於LightTools提供了較為靈活的定義方式,所以可以先不設(shè)置參數(shù),通過在3D窗口內(nèi)點選的方式插入物體.然後在System navigator中右鍵單擊,修改該物體properties中的各項參數(shù)設(shè)定,Element panel,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,21,2D object panel,這個面板用於輸入一些二維的曲線或 者是字符.這一類型 的物體通常不具備 光學(xué)屬性,但是可以 通過這一個的物體 來構(gòu)建一些較為特 殊的表面甚至是立 體,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,22,3D object panel,在這個面板中,提供了常用的五種3D物體.如球體,立方體等.使用的方法和插入元件的方法類似,通?？梢韵刃胁迦?然後再進行修改.,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,23,Viewing panel,這個面板提供不同的查看方式,包含放大,縮小,按照座標系進行旋轉(zhuǎn).值得一提的是在這個面板中提供了修改UCS座標和在3D視圖中量測距離的功能,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,24,Ray tracing panel,這個面版提供了插入各種類型的光源以及檢光器(Receiver)的命令.當(dāng)我們分析光學(xué)系統(tǒng)的時候,檢光器(Receiver)是必須的.針對不同的分析需求,需要建立不同類型的檢光器.同樣的,這裡建立的物體也可以在System navigator 中做進一步的修改.,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,25,Modifying panel,這個面版提供一系列的選擇,修改指令.在這個面板的級連菜單中可以對物體進行移動,旋轉(zhuǎn).可以進行不同物體間的布林,裁減等操作.另外,導(dǎo)入的幾何模型也要在這個菜單中進行修復(fù),2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,26,The command line,和大多數(shù)軟體類似,LightTools同樣提供了以命令方式進行操作的界面.你可以在這個窗口內(nèi)直接輸入命令字符. 除了輸入命令的功能,許多命令的參數(shù)也要在這個窗口內(nèi)輸入.輸入窗口的上方會提示當(dāng)前命令的狀態(tài)或正在輸入的參數(shù)名稱.,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,27,The toolbar,工具列包含常用的功能,如放大縮小視圖,視角變換.以及常用的選定物體,更改座標系,修改物體屬性(Properties),光線追跡等.如果不了解這些圖標的涵義,可以將指針置於其上,你將看到一個簡短的提示,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,28,Utility library,為方便用戶使用,LightTools提供了一些已經(jīng)編輯好的模塊來供用戶調(diào)用.這個模塊位於Tools Utility library 這些模塊是可以編輯的,他們的代碼是完全開放給用戶的.同時,你可以使用EXCEL或Visual Basic來添加新的插件或功能.,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,29,建立基本幾何模型,Step 1 在CAD中建立Housing和入光結(jié)構(gòu),注意座標原點的位置,這是今後建模的參照,此處要有一定的長度,這樣在與LG布林的時候兩者有交疊的部分,不易產(chǎn)生錯誤,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,30,Step 2 在RHINO中建立sat檔,使用RHINO打開剛才編輯的圖檔,選擇拉伸實體,選中所有曲線,輸入厚度,另存為SAT格式,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,31,Step 3 導(dǎo)入LightTools,刪除導(dǎo)入後出錯的幾何體,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,32,Step 4 添加導(dǎo)光版及各種貼布,基本方法: 1 使用3D OBJECT工具添加BLOCK. 2 修改BLOCK為導(dǎo)光版大小並與之前導(dǎo)入的圖形布林 3 貼布採用BLOCK建立,並調(diào)整為響應(yīng)大小 4 遮光貼布需建立兩個BLOCK,其一為貼布大小,另一為視窗大小,調(diào)整好位置後二者相減,右鍵選中剛剛插入的物體,選擇Properties,右鍵單擊,更改名稱.,幾何屬性設(shè)定,按住ctrl鍵不放,選中兩個物體,布林及除料命令,分別用與導(dǎo)光版與鋸齒結(jié)合和建立遮光貼布,2019/7/15,WRITTEN BY ADAMLEE,33,Step 5 選定幾何體材質(zhì)及光學(xué)參數(shù)設(shè)定,右鍵選中物體,並在Properties中設(shè)定材料,選中物體的所有表面,並將最大光線撞擊數(shù)改為1000,設(shè)定物體表面的光學(xué)屬性,這裡為導(dǎo)光版的光學(xué)屬性,設(shè)定框蓋及反射片為Simple Mirror.針對非雙屏產(chǎn)品,可設(shè)定為接近完全反射,雙屏產(chǎn)品需根據(jù)實際情況分別處理,擴散片