lighttools光學(xué)模擬教程

2024/5/31WRITTENBYADAMLEE1LightTools光學(xué)仿真講義STARSMAN2024/5/31WRITTENBYADAMLEE2LightTools是什么？LightTools根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(jī)結(jié)構(gòu)間的仿真，它可以不必假設(shè)系統(tǒng)之對(duì)稱性，做單軸、全局、三維坐目標(biāo)模擬。當(dāng)光束穿越整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，光束可以自動(dòng)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(gè)系統(tǒng)，光束可以包含物體任意的次序，獨(dú)立的根據(jù)物理可實(shí)施之路徑行進(jìn)。這類的光線追跡一般稱為“無(wú)限制的”或“非序列的”。LightTools所做的就是一個(gè)根據(jù)真實(shí)光線在真實(shí)世界里的路徑的仿真仿真。2024/5/31WRITTENBYADAMLEE3根本輻射度學(xué)及亮度學(xué)概念輻射度學(xué)是關(guān)與任一波長(zhǎng)的電磁輻射定量及量測(cè).亮度學(xué)是完全相同的事,但是限制在人類眼睛有反響的波長(zhǎng)范圍.2024/5/31WRITTENBYADAMLEE4RADINANTFLUX輻射通量功率IRRADIANCE輻射照度每單位面積上的功率RADIANTINTENSITY輻射強(qiáng)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(gè)根本單位2024/5/31WRITTENBYADAMLEE5亮度學(xué)的幾個(gè)根本單位Luminousflux光通量功率Illuminance光照度每單位面積的功率Luminousintensity發(fā)光強(qiáng)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2024/5/31WRITTENBYADAMLEE6光通量

輻射度學(xué)亮度學(xué)物理量輻射通量(Radiantflux)光通量(Luminousflux)單位瓦特(Watt(W))流明(Lumen(lm))單位面積上的光通量

輻射度學(xué)亮度學(xué)物理量輻射照度Irradiance光照度Illuminance單位W/m2lm/m2=Lux(lx)2024/5/31WRITTENBYADAMLEE7單位面積單位立體角的光功率

輻射度學(xué)亮度學(xué)物理量RadiantIntensity輻射強(qiáng)度LuminousIntensity發(fā)光強(qiáng)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)亮度學(xué)物理量輻射亮度Radiance光亮度Luminance或Brightness單位W/m2-srlm/m2-sr=cd/m2=nit2024/5/31WRITTENBYADAMLEE8輻射度學(xué)與亮度學(xué)的轉(zhuǎn)換一個(gè)candela發(fā)光強(qiáng)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(qiáng)度流明是均勻的點(diǎn)光源發(fā)出一個(gè)candela的發(fā)光強(qiáng)度的光通量進(jìn)入一個(gè)單位立體角2024/5/31WRITTENBYADAMLEE9關(guān)與精確度人們經(jīng)常問(wèn)“光學(xué)仿真有多精確﹖”。這個(gè)當(dāng)然是一位嘗試預(yù)測(cè)或解釋實(shí)務(wù)系統(tǒng)行為的實(shí)務(wù)工程師所必須要問(wèn)的問(wèn)題。LightTools做所有的計(jì)算都可以采用浮點(diǎn)運(yùn)算的方式，但這并未告訴我們太多有關(guān)精確的問(wèn)題。實(shí)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(cè)你的光學(xué)系統(tǒng)外表散射特性嗎？你有包含制造時(shí)的公差嗎？是否幾何光線追跡適合你的問(wèn)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(zhǔn)確的提供這些信息給光學(xué)軟件,你必須要犧牲一些參數(shù)來(lái)盡可能的趨進(jìn)于現(xiàn)實(shí),盡管這樣看來(lái),這些被犧牲的參數(shù)可能與實(shí)際的參數(shù)相差較大.但這是為了提供更加接近現(xiàn)實(shí)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(shí)，“時(shí)機(jī)”是〔這是統(tǒng)計(jì)〕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(shí)務(wù)上，我們可以加倍光線追跡的數(shù)目，來(lái)看答案在預(yù)定的精度內(nèi)是否到達(dá)穩(wěn)定。假設(shè)不穩(wěn)定，那么再增加光線追跡的數(shù)目。LightTools提供一個(gè)參數(shù)來(lái)幫助你評(píng)估這個(gè)精確度,這就是ErrorEstimateatPeak值,這個(gè)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(huì)減小這個(gè)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.2024/5/31WRITTENBYADAMLEE10光線追跡的原理光線的概念幾何光線的概念對(duì)光學(xué)是非常重要的，至少?gòu)呐ｎD的時(shí)代以來(lái)，光線經(jīng)常被形容為垂直光電磁波波前的射線。對(duì)我們而言，光線的重要是在光線可以仿真電磁波能量〔單位時(shí)間通過(guò)的能量或稱為光通量〕。光線不是一個(gè)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(yuǎn)大于用于所模擬的光波波長(zhǎng)，我們就可以假設(shè)系統(tǒng)與時(shí)間沒(méi)有相關(guān)，使用光線模擬來(lái)獲得高精度的真實(shí)光學(xué)系統(tǒng)行為預(yù)測(cè)。2024/5/31WRITTENBYADAMLEE11光學(xué)仿真軟件中光線的概念任何一本教科書中光線追跡的章節(jié)，都會(huì)描述圖中帶箭頭的藍(lán)色線為“光線”.但在光學(xué)仿真的過(guò)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(diǎn)。圖中的這些線只是這些點(diǎn)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的路徑?！惫鈱W(xué)仿真的一切運(yùn)轉(zhuǎn)都是基于這一點(diǎn).光學(xué)仿真軟件以三維卡氏坐標(biāo)(x、y、z)在與你所描述幾何形狀相同的全局坐標(biāo)系統(tǒng)中描述光線。這些光線還有一個(gè)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、塑料對(duì)象中〕，光線沿著方向向量移動(dòng)。在不同介質(zhì)的接口或在反射面上，方向向量改變。當(dāng)光在接口處理時(shí)，光通量及介質(zhì)的特性也可能改變，在一個(gè)外表上所有光線的這些參數(shù),是我們來(lái)評(píng)估,分析光學(xué)系統(tǒng)的根本.2024/5/31WRITTENBYADAMLEE12關(guān)與ReceiverReceiver是這樣一種特殊的物體,它為系統(tǒng)提供了一個(gè)約定,系統(tǒng)會(huì)統(tǒng)計(jì)接觸到這一物體的光線數(shù)據(jù).這里再一次強(qiáng)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(diǎn)而不是一條線.

當(dāng)你的系統(tǒng)已經(jīng)包含Receiver,并進(jìn)行了足夠數(shù)量的光線追跡后,系統(tǒng)便可以按照不同類型的Receiver來(lái)進(jìn)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(shí)候,很可能是因?yàn)槟銢](méi)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(shí),很可能是因?yàn)槟愕南到y(tǒng)設(shè)定問(wèn)題導(dǎo)致光線無(wú)法正確的到達(dá)Receiver或者是你的Receiver設(shè)置了不正確的參數(shù).2024/5/31WRITTENBYADAMLEE13系統(tǒng)初始設(shè)定及用戶接口2024/5/31WRITTENBYADAMLEE14WindowNavigator通過(guò)這個(gè)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啟動(dòng)該窗口,也可以通過(guò)右鍵單擊的方式來(lái)進(jìn)行最大化,最小化等操作2024/5/31WRITTENBYADAMLEE15SystemNavigator顯示當(dāng)前狀態(tài)下所有組件(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)系.可以通過(guò)單擊來(lái)查看,選擇或通過(guò)右鍵來(lái)修改其屬性(properties)2024/5/31WRITTENBYADAMLEE16PreferenceNavigator在這個(gè)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(shí)的選項(xiàng)等.可以通過(guò)在樹型目錄內(nèi)單擊來(lái)查看,也可以使用右鍵來(lái)修改屬性或設(shè)置當(dāng)前設(shè)定為默認(rèn)值2024/5/31WRITTENBYADAMLEE17Consolewindow

在這個(gè)窗口內(nèi),可以看到程序運(yùn)行后生成的工作日志,以及命令運(yùn)行后所產(chǎn)生的一些信息,同時(shí),也可以在這個(gè)窗口內(nèi)鍵入命令來(lái)執(zhí)行.2024/5/31WRITTENBYADAMLEE18Errorwindow在這個(gè)窗口內(nèi),顯示在程序運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中所出現(xiàn)的錯(cuò)誤或警告信息.這些信息通常是必須要引起注意并解決的.如果你的程序經(jīng)常給出這樣的信息而得不到解決的話,那么模擬的準(zhǔn)確性就十分值得疑心了.2024/5/31WRITTENBYADAMLEE19幾個(gè)需要注意的設(shè)定2024/5/31WRITTENBYADAMLEE203Ddesignviewerwindow這個(gè)窗口用與執(zhí)行LightTools的大局部操作.同時(shí)在3D的顯示圖中可以對(duì)當(dāng)前的幾何模型進(jìn)行選擇,修改.也可以使用右鍵來(lái)修改相關(guān)外表的屬性.2024/5/31WRITTENBYADAMLEE21這個(gè)面板檔中包含八種類型的光學(xué)組件,通過(guò)級(jí)連菜單項(xiàng)選擇擇各分類命令.由于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(guò)在3D窗口內(nèi)點(diǎn)選的方式插入物體.然后在Systemnavigator中右鍵單擊,修改該物體properties中的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定Elementpanel2024/5/31WRITTENBYADAMLEE222Dobjectpanel這個(gè)面板用于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(guò)這一個(gè)的物體來(lái)構(gòu)建一些較為特殊的外表甚至是立體2024/5/31WRITTENBYADAMLEE233Dobjectpanel在這個(gè)面板中,提供了常用的五種3D物體.如球體,立方體等.使用的方法和插入組件的方法類似,通常可以先行插入,然后再進(jìn)行修改.2024/5/31WRITTENBYADAMLEE24Viewingpanel這個(gè)面板提供不同的查看方式,包含放大,縮小,按照坐標(biāo)系進(jìn)行旋轉(zhuǎn).值得一提的是在這個(gè)面板中提供了修改UCS坐標(biāo)和在3D視圖中量測(cè)距離的功能2024/5/31WRITTENBYADAMLEE25Raytracingpanel這個(gè)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(shí)候,檢光器(Receiver)是必須的.針對(duì)不同的分析需求,需要建立不同類型的檢光器.同樣的,這里建立的物體也可以在Systemnavigator中做進(jìn)一步的修改.2024/5/31WRITTENBYADAMLEE26Modifyingpanel這個(gè)面版提供一系列的選擇,修改指令.在這個(gè)面板的級(jí)連菜單中可以對(duì)物體進(jìn)行移動(dòng),旋轉(zhuǎn).可以進(jìn)行不同物體間的布爾,裁減等操作.另外,導(dǎo)入的幾何模型也要在這個(gè)菜單中進(jìn)行修復(fù)2024/5/31WRITTENBYADAMLEE27Thecommandline

和大多數(shù)軟件類似,LightTools同樣提供了以命令方式進(jìn)行操作的接口.你可以在這個(gè)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(gè)窗口內(nèi)輸入.輸入窗口的上方會(huì)提示當(dāng)前命令的狀態(tài)或正在輸入的參數(shù)名稱.2024/5/31WRITTENBYADAMLEE28Thetoolbar

工具欄包含常用的功能,如放大縮小視圖,視角變換.以及常用的選定物體,更改坐標(biāo)系,修改物體屬性(Properties),光線追跡等.如果不了解這些圖目標(biāo)涵義,可以將指標(biāo)置于其上,你將看到一個(gè)簡(jiǎn)短的提示2024/5/31WRITTENBYADAMLEE29Utilitylibrary

為方便用戶使用,LightTools提供了一些已經(jīng)編輯好的模塊來(lái)供用戶調(diào)用.這個(gè)模塊位于Tools>Utilitylibrary

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(shí),你可以使用EXCEL或VisualBasic來(lái)添加新的插件或功能.2024/5/31WRITTENBYADAMLEE30建立根本幾何模型Step1在CAD中建立Housing和入光結(jié)構(gòu)注意坐標(biāo)原點(diǎn)的位置,這是今后建模的參照此處要有一定的長(zhǎng)度,這樣在與LG布爾的時(shí)候兩者有交迭的局部,不易產(chǎn)生錯(cuò)誤2024/5/31WRITTENBYADAMLEE31Step2在RHINO中建立sat檔使用RHINO翻開剛剛編輯的圖檔選擇拉伸實(shí)體選中所有曲線輸入厚度另存為SAT格式2024/5/31WRITTENBYADAMLEE32Step3導(dǎo)入LightTools

刪除導(dǎo)入后出錯(cuò)的幾何體2024/5/31WRITTENBYADAMLEE33Step4添加導(dǎo)光版及各種貼布根本方法:1使用3DOBJECT工具添加BLOCK.2修改BLOCK為導(dǎo)光版大小并與之前導(dǎo)入的圖形布爾3貼布采用BLOCK建立,并調(diào)整為回應(yīng)大小4遮光貼布需建立兩個(gè)BLOCK,其一為貼布大小,另一為窗口大小,調(diào)整好位置后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(gè)物體布爾及除料命令,分別用與導(dǎo)光版與鋸齒結(jié)合和建立遮光貼布2024/5/31WRITTENBYADAMLEE34Step5選定幾何體材質(zhì)及光學(xué)參數(shù)設(shè)定右鍵選中物體,并在Properties中設(shè)定材料選中物體的所有外表,并將最