lighttools-基本操作(第1-2节课)

LightTools软件应用主讲:许孝芳大纲Section1非成像光学介绍Section2LightTools基本介绍Section3几何形状建立Section4构建复杂对象Section5光学特性设定Section6定义光源Section7接受面与图表Section8进行模拟Section9UtilitiesLibrary简介非成像光学非成像光学理论起源于六十年代中期，1966年，Hinterbgerer等在发表的一篇提高太阳能收集效率的文献中首次提出“非成像光学”（nonimagingoptics）一词。1967年B~ov提出将其应用于太阳能收集系统中的复合抛物集能器（CPC，CompoundParabolicConcentrator）设计，同年，Ploke设计出一种应用于显微镜系统中替代传统聚光镜的三维CPC。七十年代中期，Winston等人提出非成像光学概念，此后，一系列非成像光学理论的提出和完善极大地丰富了非成像光学概念。非成像光学非成像光学注重的并非是光源能够在目标平面上成像及成像后的质量，其主要关注的是光源的能量利用率以及该能量在方位角及空间内的具体分布情况。如图1所示，在成像光学系统中，其主要传递的是物点的光强度及位置信息，而在非成像光学系统中，则主要是对物点能量进行传输及重新组合与分配。对非成像光学系统的评估主要是能量收集率。——能量的分配如图2所示的非成像光学器件模型：A所代表的平面是入射孔径面积，A′所在的平面则是出射孔径面积。假设该器件的出射孔径面积A′能够让全部光线都透过这部分面积出射，入射光束面积与出射光束面积这两者之间的比值C就是能量收集率。能量收集率：C=A/A′非成像光学系统与相差理论不同的是非成像光学不考虑或很少考虑相差对系统性能的影响，而是光能利用率作为系统的评价标准。对于面光源，发光强度是有方向性的，因此亮度也是有方向性的。亮度是单位面积单位立体角内发射的光通量，也就是说光通量在两个集合空间扩展的一种量度，即在面积上的扩展和立体角内的扩展。相关光学术语亮度光强PrimaryIlluminationQuantitiesLm/sr=cdFlux通量Illuminance(照度)Intensity(光强)Luminance(亮度or辉度)/Area/SolidAngleLm/㎡/Area/SolidAngleCd/㎡Scattering（散射）InOutSpecularSnell’sLawInOutDiffuseLambertianInOutRealLifeMixture没有完美的光滑表面，散射设计在设计上往往占有重大的功用！接收面Section2LightTools基本介绍LightToolsOpticalResearchAssociates1963成立，1994LightTools开发Non-sequentialRayTracingSoftWare3DObjectMonteCarloRayTraceMethod何时需要用到LightTools？每一个需要控制光线的行业里都可以应用！完美的光学设计解决方案LightTools模块组成系统的建构布尔运算交互式3D建模环境的革命性照明设计软件包含宏语言和支持COM的界面1、CoreModule:提供了广泛的光学模块选择方案照明系统的仿真MontoCartoon光源接收器与计量器2、IlluminationModule：提供蒙地卡罗模拟法光型設計（A字母）Target光型設計（圓變方）LED照明用透鏡完整的优化系统：MeritreaFunction寻找最佳情况，增进系统运算效率3、OptimizationModule：全新优化功能4、FourDataTransferModule：支持通用工业CAD数据格式标准格式：STEP、SAT、IGES特殊应用软件的格式：CATIALighttools设计举例BEXTechnologies(Jiangsu)Inc.,LtdK2LED封装一次配光举例LuxeonK2原厂数据BEXTechnologies(Jiangsu)Inc.,Ltd•光强分布为朗伯体•光通量：17.6lm•最大光强5.04cdLighttools光学设计目标设计目标设计一款新的K2LED的光学封装结构，使之具有高方向性的光强分布设计要求–总的光通量不能减小太多–能简易替换现有光学元件BEXTechnologies(Jiangsu)Inc.,Ltd初始设计BEXTechnologies(Jiangsu)Inc.,Ltd在Solidworks建模，用SLM连接模块传递到Lighttools主光学元件初始结构结构：由复杂的曲线旋转得到的实体材料：PMMA（polymethylmethacrylate聚甲基丙烯酸甲酯）光学表面特性：定义为Fresnellosses(菲涅尔损耗)优化变量：共9个–每条曲线有4个变量，共两条曲线–光学元件的边缘高度作为另一变量BEXTechnologies(Jiangsu)Inc.,LtdSolidworks设计目标的优化采用LightTools内置的“准直函数”（collimate）作为该例的评价函数–原理是将所有落在接受面上光线的余弦值一致化；–利用蒙特卡罗（MonteCarlosimulation）光线追迹的结果；–每次模拟19,000根光线，得到38,000个评价参数（每根光线有2个余弦值）。BEXTechnologies(Jiangsu)Inc.,Ltd优化前的光强分布初始结构中的每个变量都是半随机选择的；•最初，有将近6lm的光能通过主光学元件从后面出射；•总的光通量是17.9lm，是由于光元件阻止了部分原来被反射吸收的光线；•最大光强3cd；•但光强分布明显还未达到最优。BEXTechnologies(Jiangsu)Inc.,Ltd在LightTools中模拟10,000,000条光线追迹后的光强分布图优化结果(一)经过优化后,从LED出来的光得到了很好地准直；•17.5lm的光通量全部向前发射，比原来的朗伯体只少一点；•轴向的光强是91.6cd–是原来朗伯体的18倍，–是优化初始结构的30倍。BEXTechnologies(Jiangsu)Inc.,Ltd优化结果(二)最终优化的主光学元件比初始结构高一点；但曲线的形状还是和初始结构一样。BEXTechnologies(Jiangsu)Inc.,LtdConclusion经过上述优化，LED的一次光学设计使其效率和光强分布方向性提高了很多，因此光学设计是非常重要。现阶段很多光源生产商在LED设计中应用的光学设计方式都是凭借自身经验或者仿照国外已成熟技术，自我创新设计能力非常差，这是国内公司发展滞后的瓶颈。BEXTechnologies(Jiangsu)Inc.,LtdLightTools的特色CAD用户图形接口（GUI），使用简单能容易的修改建立的组件，包含布尔运算可以读取及转成IGES、STEP及SAT文件格式材质：折射率、吸收率、体散射、偏振表面：穿透反射吸收、散射、涂膜、偏振、FresnelLossPiontandshoot光线追迹功能A、模型建构各式光源各种观察方式（照度、强度、辉度和色彩，显色指数）速度快B、照明分析C、杰出的灵活性结合指令列和GUI其他软件搭配，MATLAB、VB、VBA、C++开始学习Lighttools软件光源光学系统接收器MonteCarlo计算照度图表照明分析的基本架构：确定你的计算机系统项目操作系统的要求处理器PentiumIII,PentiumIV,PentiumM，Xeon，AMDAtholnprocessors(1GB)系统Windows2000，XP，Win7内存最小512MB（建议1GB）显示器17寸以上的屏幕，分辨率1280×1024其他全部操作系统支持的绘图机和列表机练习一：认识与设定个人接口将3D编辑窗口修改为白底黑字，单位：光通量，曲率模式：Radius1.将单位设为：mm，曲率模式改为RadiusEdit—Preference（首选项）—GeneralPreference—SystemTitle：自行定义名称UnitRadiusMode曲率不进行焦距渲染2、将接收面和光源的单位改为光通量Default—Recevier＆Source单位改为PhotometricFlux（光通量）Save：将环境储存成系统内定制鼠标右键点击Defulats—SaveGeneralandDefaults(保存这些设置以供将来练习使用)光通量辐通量3、将3D编辑窗口修改为白底黑字ViewPreference—3D_untitled—Colors—ColorScheme—BlackonWhite(白底黑字)最后SaveViewpreference另外在Viewpreference还可以设置贴齐网格（Grid—SnaptoGrid）将XValue和YValue设为低于0.1mm可见性（Visibility）—清除“显示注释”复选框(ShowAnnotation)SnaptoGrid提高设计的精确性一般不用显示。Section3几何模型的建立开始一个新模型Lighttools的操作接口3D设计窗口详解客制化自己的操作环境善用鼠标右键Lighttools控制台窗口（Console）1、开始一个新模型2、打开一个以前保存的模型菜单栏系统导航栏首选项导航栏窗口导航栏输出窗口三维设计视图TheToolbarTheCommandPanel指令按钮第一层：类别选单（共6种）第二层：种类选单第三层：指令选单二维几何模型的建立三维几何模型的建立Section4建构复杂的对象通过Lighttools所建构的3D组件，我们称为“Primitive”（原型）复杂形状的对象可以藉由以下方式获得：—由多个原型所组成—读取CAD软件所建构好的模型可以藉由类别选单中的Edit（编辑）来进行修改。画OpticalElements的基本原结构1.方块（cube）2.球（Sphere）3.椭球（Ellipse）4.圆柱（Cylinder）5.超环面（toroid）6.椭圆柱（EFiber）7.自由面（Skinned）输入一个凸透镜方法一：PrimitivesandEntitiesProperties属性对话框第一步选中对象第二步可以通过下面三种方式打开对话框1、EditProperties；2、FromthetoolbarPropertiesbutton；3、Byright-clicking,andselecting，Propertiesontheshortcutmenu.LightTools中所谓的【对象】Lighttools以实体模型为架构•每一个物理实体都是一个完整的固体模型•每一个对象都有表面，表面不会独立存在所建构的几何形状称为“primitives”（原型）•原型多为球、方块、柱状等•可以透过编辑成复杂的几何形状一个对象是透过多个原型结构做组成的。利用对话窗口修改属性直接点选3D对象或是树状列上的对象名称，呼叫properties属性窗口直接修改对象参数。对象层可以修改坐标方位等Primitive层可以修改外形尺寸PrimitivesandEntitiesProperties属性对话框第一步选中对象第二步可以通过下面三种方式打开对话框1、EditProperties；2、FromthetoolbarPropertiesbutton；3、Byright-clicking,andselecting，Propertiesontheshortcutmenu.DialogBoxesYoucanalsocreateachartfromthedatainanyLightToolsdatatable.Todisplayachart,selectthetable,right-cli