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LightTools软件应用 主讲 1 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 2 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 3 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 4 5 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 6 能量收集率 C A A 7 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 8 相关光学术语 9 PrimaryIlluminationQuantities Lm sr cd 10 Scattering 散射 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 11 Section2LightTools基本介绍 LightToolsOpticalResearchAssociates1963成立 1994LightTools开发Non sequentialRayTracingSoftWare3DObjectMonteCarloRayTraceMethod 12 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 13 完美的光学设计解决方案 14 15 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 16 17 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 18 LED照明用透鏡 19 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 20 21 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 CATIA 22 Lighttools设计举例 BEXTechnologies Jiangsu Inc Ltd K2LED封装一次配光举例 23 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 04cd 24 Lighttools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 25 初始设计 BEXTechnologies Jiangsu Inc Ltd 在Solidworks建模 用SLM连接模块传递到Lighttools 26 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 Ltd Solidworks 27 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 28 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 29 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 30 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 Ltd 31 Conclusion 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 Ltd 32 LightTools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 FresnelLossPiontandshoot光线追迹功能 A 模型建构 33 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 34 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 35 确定你的计算机系统 36 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 Radius1 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 37 38 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 39 40 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 41 42 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 43 SnaptoGrid 44 提高设计的精确性 45 一般不用显示 46 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 47 Lighttools控制台窗口 Console 48 1 开始一个新模型 49 50 2 打开一个以前保存的模型 51 52 53 TheToolbar 54 TheCommandPanel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 55 二维几何模型的建立 56 三维几何模型的建立 57 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 58 画OpticalElements的基本原结构 方块 cube 球 Sphere 椭球 Ellipse 圆柱 Cylinder 超环面 toroid 椭圆柱 EFiber 自由面 Skinned 59 输入一个凸透镜 方法一 60 PrimitivesandEntities 61 Properties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 Edit Properties 2 FromthetoolbarPropertiesbutton 3 Byright clicking andselecting Propertiesontheshortcutmenu 62 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 63 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 64 PrimitivesandEntities 65 Properties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 Edit Properties 2 FromthetoolbarPropertiesbutton 3 Byright clicking andselecting Propertiesontheshortcutmenu 66 DialogBoxes YoucanalsocreateachartfromthedatainanyLightToolsdatatable Todisplayachart selectthetable right click andselectCreateChart Thefollowingfigureshowsachartcreatedfromtherawdataonanilluminancemesh 67 DialogBoxes 68 用滑块sliders来选择属性 69 ModifyingTables 插入行 70 插入行 71 IfyouselectInsertRows youarepromptedtospecifythenumberofrowstoinsert 72 打开一个新窗口 73 打开一个新窗口 74 修改参数 1 几何尺寸 75 2 位置 坐标 76 方法二 TheCommandLine命令栏 指定一个点 XYZ 2 4 1 2 5 6 77 例1 用点输入法来建一个长 宽 高均为10mm 起始点位于 0 0 0 的方块 78 输出三个坐标 79 三维视图 80 例2 构建一个长4mm 宽2mm 高3mm起始点位于 1 1 0 的方块 81 坐标点可以通过绝对坐标值或相对坐标值的方式来输入 XYZLXYZ绝对坐标例 xyz0 0 0点位置在全局坐标的原点DXYZLDXYZ相对坐标例 xyz1 2 3相对前一点往x移1 往y移2 往z移 3LA2 45长2 角度45 重复上一个坐标 82 点输入法建构复杂物体 83 Extrude的建立步骤 步骤1 定义外形 点1 点2 点n步骤2 定义厚度 选取另一窗口点n 1和点n 2步骤3 输入 或双击结束整个步骤 84 85 86 Revolved的建立步骤 步骤1 定义外形 步骤2 鼠标连续点2次或输入 结束外形步骤3 定义旋转轴 输入2个点步骤4 决定旋转的角度 可在指令栏输入角度 87 88 89 练习三 依次输入如下坐标点 也可在Excel表输入后copy到命令栏 注意 需在Y Z平面作图 90 点输入 91 92 二 坐标系统 Lighttools有全局 Global 与用户坐标 UCS 两种坐标系统两个坐标系统皆遵循右手定则 旋转坐标采用光学旋转坐标 Eulerangle 顺序很重要 对多方向旋转而言 Alpha先转 接着Beta沿着新轴再转 最后Gamma再沿着更新轴再转 93 94 用户坐标系统 表面坐标系统 UCS 每一个表面有属于自己的坐标区域Z轴为沿物体外的法线方向可以使用UCS来观察表面坐标位置 三点绘制UCS坐标 95 如何定义UCS 可以在View面板上选取UCSAxes面板UCS可以放置在表面或光在线来进行校正与定位 UCS坐标与全局坐标的相对关系 在进行草图设计时是非常方便的 UCS视图包括 前视图 右视图 上视图 96 97 98 如何选取多个对象 1 在系统导览中对对象编辑 利用Shift和Ctrl健来选取物体2 利用功能面板选取物体 99 如何编辑对象 利用编辑功能面板Move Copy Rotate Align Array等利用文字选单编辑选择一个或多个对象后 按下鼠标右键 即出现文字选单提供编辑选项EditSelectedAll可以方便改变多个对象的特性 100 群组功能面板 群组功能可以让每一个独立却有关系的对象群组起来 101 Booleanoperations布尔运算 Booleanoperations可以将Lighttools所建立的对象群进行处理 以产生较复杂的对象 布尔运算种类Union Intersect Subtract Trim Unbool 102 CommandPaletteforBooleanOperations 布尔运算 103 Union 联集 104 Intersect 交集 105 Subtract 差集 106 Trim 裁剪 107 Unbool UnboolisusedtocancelthelastBooleanoperationperformedonanobjectandrestoreeachcomponentobjecttobeingaseparateobject ThiscanbedoneovermultiplelevelsofBooleanoperationsformingcomplexstructures SelecttheBooleanobjectandclickonUnbooltoundothelastBooleanoperationperformedontheobject ThecommandfortheunbooloperationisUnBoolean 108 对单透镜的编辑 Stretch Bend Fold Cement BreakImmerse Remove 109 胶合 Cement Cement常用在两个表面间无空气存在的情况 胶合时若两表面曲率不同 在第二选取的表面将会自动与第一选取表面相同 注意 两个表面特性不同时 会产生不同方向