LightTools 最佳化技术应用.ppt

LightTools最佳化技術應用,光學部王弘鈞（Richard）ora_support.tw02-2788-9300#232,2,Agenda,Optimization設定環境與架構說明基本Optimization使用特殊MeritFunction應用NS-RayMeritFunctionFocusandCollimateMeritFunctionMeshMeritFunction導光系統之均勻度優化LED發光曲線優化參數控制(ParametricControl)的使用背光板網點排列設計工具BPO使用說明,3,Optimization設定環境與架構說明,所謂的最佳化就是根據標準或是誤差函數，透過自動計算來改善系統的性能在光學領域裡，成像工程師往往都會透過最佳化方式來自動地設計光學系統而照明工程師往往卻只能透過手動調整的方式來最佳化照明系統無聊且冗長通常會藉由工程師的經驗，透過線性的改變參數來搜尋,4,背景,以往成像設計的最佳化是徒手操作來完成的使用成像分析代碼需要用非線性方程式同時解決問題重複地計算，耗時也耗費人力需要花幾個月的時間來完成一新的設計30年前ORA開發了“CODEV”最佳化功能，開始了成像系統設計的新革命功能強大而且使用簡單目前仍是CODEV最主要的功能把最佳化所需要花費的幾個月時間縮短為幾天現今的系統更為複雜需要更多變數與分析，徒手操作已不敷需求了,5,LightTools照明最佳化,如今ORA投入了大量的人力物力，終於克服了照明系統最佳化的挑戰照明系統最佳化的變數與目標相對的比成像系統大的多，困難度相對提昇不少LightTools提供了一功能強大也使用簡單的最佳化功能使用與CODEV相同的DampedLeastSquares(DLS)的最佳化引擎,6,WhatisOptimization?,最佳化三大基本組成：誤差函數MeritFunction(ErrorFunction)：系統的一個目標函數，是單一的數值。若該數值為0表示已經達成目標變數Variables：系統中可以允許改變的特性，藉由特性改變可以降低誤差函數限制條件Constraints：在進行最佳化的過程中，系統無論如何都必須要達到的情況最佳化的目的藉由改變系統的變數，在能夠滿足限制條件的情況下來降低目標函數,7,如何設定變數,LightTools屬性對話窗中的參數都可以設定成為變數（只要按滑鼠右鍵即可）幾乎所有可輸入的欄位都可以設定變數的設定應該以能改變系統性能為優先,設定為變數的欄位將會改變其顏色（內訂是紅色）,8,定義MeritFunctions,定義價值函數（MeritFunction）是在進行最佳化步驟中最重要的一環一個適當的價值函數設定可以簡化最佳化問題您一定要常常的確認目標值與權值是適當的盡量使用必要的參數來建構價值函數（不要設定太過）盡量使用對稱模型避免模糊不清的目標,9,設定Constraints,可用不等式定義限制條件,10,LocalOptimization:2DExample,LightTools的最佳化方式是尋求區域解，LightTools會在起始點的位置尋求可改變價值函數的解右圖概說了起始位置與價值函數間的關係LightTools的區域解最佳化方式是一個功能強大，可以搜尋至多100個變數的工具,Meritfunction,includingvalley,Ifthestartingdesignis,here,optimizationcantfindtheminimum.,inthevalley,optimizationcanfindtheminimum.,Valley,Localminimum,11,如何建立價值函數,LightTools屬性對話窗中的參數都可以設定成為變數（只要按滑鼠右鍵即可）大多數的計算欄位都可以建立成價值函數價值函數可以多群組化,12,OptimizationInput,OptimizationInput控制最佳化時變數改變的方向以及去編輯與觀察變數、限制條件與價值函數,13,VariablesSummary,VariablesSummary可以觀察變數個別的變數可以在進行更多的控制,14,MeritFunctionSummary,使用summary來編輯價值函數計算價值函數設定目標計算noisefloor,15,NoiseFloor,當價值函數是以MonteCarloraytrace結果為基準時noise是一個必須要考慮的因素NoiseFloorestimate可以避免在進行最佳化時所搜尋的解釋來自於noiseLightTools內定設定當MF低於1.2*NF時將終止,16,Meritfunction參數設定,計算目前的meritfunction與noisefloor(forMonteCarlo-basedMFitems),多個MeritFunction時可以給不同計算權重,17,目標值的輸入,18,進行最佳化,當所有設定都完成後就可以開始進行最佳化計算OptimizationOptimize!,19,基本Optimization使用,對鏡片的焦點進行表面曲率最佳化設計單一鏡片Diameter:10mmThickness:4mmFrontandBackRadii:10mmMaterial:BK7Front曲率可變，目標焦距8mm最佳化元素變數：FrontSurface曲率(曲率半徑)價值函數：焦距,20,設定與結果,變數,目標值,結果,21,最佳化結果,最佳化後發現邊緣厚度太小，有製造問題利用限制條件，將製造限制加入再做一次最佳化邊緣厚度作為限制條件(=1mm),22,Workshop1:混光系統,混光系統的最佳化找出R、G、B三色光源的功率比，達到白光效果最佳化必要兩元素變數:Variable光源的功率就是變數價值函數:MeritFunction利用CIE的座標值定義白光CIEx,CIEy(0.333,0.333),23,StartingtheModel,開啟已建構好的模型Color_Mix.ltsTheModelSpec.:Red;WL=630nm;XYZ0.5,cos(30),0Green;WL=530nm;XYZ0.5,-cos(30),0Blue;WL=430nm;XYZ1,0,0AimSphereangle:012。ObservePlane:6x6mm(0,0,10)觀察模擬30萬條光線後的結果Illumination-SimulationInfo.300000Illumination-StartSimulation(orbuttonontoolbar)IlluminationIlluminanceDisplayCIE/RGBRGBRasterChart,24,BeforeOptimization,Tips:只要設定兩個變數利用CIE(x,y)定義目標值利用RGB交集區域設定MeritFunction,onlythisareawillbeconcernedinMeritFunction,MeshDimension改為1x1MeshBoundaries改為-0.40.4mm,25,定義最佳化參數,變數（Variables）GreenSource功率BlueSource功率Tips:SystemNavigator-IlluminationManager-SourceListRight-clickProperties-EmittanceMeritFunctionCIExandCIEyTips:InCIEMeshRight-clickResulttab目標值（Targets）CIEx=0.333CIEy=0.333Tips:OptimizationInputMeritFunction-Group限制條件（Constraints）-無Ref:C:LTUserColor_Mix_Set.lts(NumberofRays30000)*ShowColorTriangle,26,最佳化後的結果,27,最佳化前後的比較,最佳化前,最佳化後,28,特殊MeritFunction應用,針對特殊需求，LightTools另提供三種MeritFunctionNS-RayMeritFunctionFocus/CollimateMeritFunctionMeshMeritFunction,29,NS-RayMeritFunction,所有的RaysFan/Grid將會以目標表面的設定為目標進行最佳化可以讓使用者藉由NSRay在每一個表面上的點座標來定義成價值函數,30,如何設定NSRayMeritFunction,有兩種方式可以設定NSRaymeritfunction利用SystemNavigator或是PropertiesDialog點選NSRay,Fan,orGrid按下滑鼠右鍵，選擇“AddNSRayToMeritFunction”,新的NSRaymeritfunction會出現在OptimizationManager(inSystemNavigator),31,NSRaymeritfunction目標設定方式,Todefinethetargetsurface:Selectasurfaceinthe3DDesignVieworintheSystemNavigatorandclick“UseSelectedSurface”orTypeintheElementandSurfacename.Specifydataitemsrelativetothesurface(nottoagivenraysegment)Duringoptimizationray“segments”canchange,Allraysinfan/gridmusthittargetsurface!,32,各個NSRay也可設定獨立的目標值,Setindividualorcommontargets,Currentvalue,ImportanceinMF,33,Workshop2:AimingaRay,利用Mirror角度改變，使光線正對接收面中心,34,Workshop2:CreateModel,StartanewmodelCreateamirrorattheoriginnormaltotheZaxisusingtheMirroronthePlaceSingletPaletteXYZ0,0,0Diameter:10mm,35,Workshop2:CreateModel,PlaceasingleNSRayinthemodelXYZ5,5,-9Alpha:-30Beta:25PlaceaDummyplaneinthemodelXYZ13,-4,-14Alpha:5Beta:-40Uncheck“ClipRaystoBoundary”,36,Workshop2:VariablesandMeritFunctions,SettheAlphaandBetaanglesofthemirrortoVariableCreatetwoNSRaymeritfunctionswiththeNSRaySetthefirstdatatoLocalY(default)withatargetof0.0(default)SettheseconddatatoLocalXwithatargetof0.0(default)Usethedefaulttargetsurface(dummyplane)Optimizethesystem,37,實體光源與NS-Ray光源差異,Focus/CollimateMeritFunction,38,FocusorCollimateMF採用真實光線進行計算,39,選擇進行最佳化的接收面,40,Focus/collimatecreatesameritfunctionbasedon2parametersofthesimulationrays,41,Focus/collimateparametersprovideflexibilityinmeritfunctiondefinition,42,FocusMeritFunction,目的：將一發光角度+/-9度之面光源，聚焦在特定位置利用凸透鏡聚焦利用最佳化找出凸透鏡曲率,43,FocusMeritFunction,利用FocusMeritFunction光線數目只要1000條,44,FocusMeritFunction,最佳化結果不到一分鐘即可完成,45,Workshop3:LEDCollimator,AskinsolidreflectorisusedtocollimateanLED.CircularprofilesconnectedbyasmoothBeziercurveThebasemodelissuppliedin“LEDCollimator_Initial.1.ltsOptimizetheskinprofiletocollimatethesource,46,Workshop3:Addoptimizationvariables,Varythe3parametersoftheskinwhichcontroltheshapeoftheBeziercurve,47,Workshop3:Addcollimatemeritfunction,AddtheCollimatemeritfunctionUseOptimizationAddMeritFunctionFocusOrCollimateSelect“Collimate”optionintheWizarddialog,andfinishaddingthemeritfunction,48,Workshop3:Initialperformance,CheckthemodelCheckthenumberofrayssetforthesimulation(IlluminationSimulationInfo)TurnontheRayPreview(IlluminationSimulationInfo),andrunatestsimulation,Beforeoptimization,49,Workshop3:Optimization,GotoOptimizationInputMeritFunction,andcalculatethenoisefloorandmakesurethemeritfunctionishigherthanthenoisefloorStartoptimization(OptimizationOptimize!)andwaituntiltheoptimizationprocessfinishesAttheendoftheoptimization,checktheConsoleWindowandnoticetheterminationcriteriaGotoOptimizationResultsandnoticehoweachvariablechangedduringoptimization,AfteroptimizationwithBeziershapeonly,50,Workshop3:Addmorevariables,AddtheskinprimitivesizeparametersasvariablesRepeatoptimization,AfteroptimizationwithBeziershapeandreflectorsize,51,MeshMeritFunction,將整個Mesh設為目標函數,52,以均勻性為目標之MeshMeritFunction,可修改的目標函數,53,Workshop4:BLUModelUniformity,Open“BLUWS_Start.1.lts”Thisisasimplebacklightsystem,withfive2Dzonepatternsofpaintdotsonthe“BottomSurface”ofthe“LightGuide”Optimizethedotspacingforuniformilluminanceonthereceiver,54,Workshop4:BLUinitialperformance,CheckstartingperformanceRunsimulationanduseLumViewerforilluminanceRightclickinLumViewertosetcolorlevelstocoverinitialrange,55,Workshop4:BLUModelOptimization,OptimizetheXSpacingofthe2DPatternofthepaintdotsineachpropertyzonetogetauniformilluminancedistributiononthedummyplaneUsetheMeshMeritFunction(illuminancemesh),with1X5illuminancedatameshCheckthetargetdefinitionforuniformilluminationLookattheNoisefloor(NF).Intheinterestofworkshoptime,makesuretheMF4*NF.,56,Workshop4:Results,Afterthe2ndcycleOptimizerstops(MFSourcesLightEmittingDiode(PhysicalStructure)Acceptthedefaultvaluesforallparameters.RunasimulationtoobtainthestartingintensitydistributionRotationallysymmetric6degGaussian,62,Workshop5:Variables,Variables:LensRearSurfacecurvaturePositionofthechipinsidethedomeGrouptheReflectorCup,Electrode,DieTopandDieSidesVaryZcoordinateofGroup,63,Workshop5:MeritFunction,Desiredintensityis9degGaussian;useExceltogeneratethetargetvaluesDesiredintensitydistributionisrotationallysymmetric;setappropriatemeshlimitsAdjustintensitymeshtoaverageoveralllongitudes(LongitudeMeshdimension=1)Limitlatitudeto40deg;latitudemeshdimension=20,I(q)=EXP-0.5*(q/9)2,64,Workshop5:Optimization,SetanappropriatenumberofsimulationraysbasedonthenoisefloorOptimizethesystem,Resultofoptimizationwith5000raystoreachnoisefloor,thenwith15,000raysuntilimprovementstopped,65,參數控制(ParametricControl)的使用,LightTools可以藉由一些數學的表達來複製資料並且連結多個資料有四種參數管理的控制可以使設計更為彈性AliasesPickupsNumericParametersExpressions,66,Aliases,透過Alias，LightTools可允許任一數值欄位中自訂為一簡單的別名藉由滑鼠右鍵並選擇AddAlias新的別名可以顯示在SystemNavigatorParametricControlsAliases,67,Pickups,Pickups可以允許LightTools中任一輸入欄位對於相對應的參數進行連結可以藉由Aliases來與其他的欄位進行對應的約束按下滑鼠右鍵並選擇AddPickup新的pickup可以在ParametricControlsPickups觀察到,68,Pickups範例,69,ParametricExpressions,可以允許定義一數學表達式及數值參數任何的Aliases都可以在數學表達式中在SystemNavigator中你可以藉由ParametricControlsParametricExpressions開啟並且按下滑鼠右鍵新增一個新的expression或是numericparameter,70,Workshop6：LightPipe,在這個例子中將進行V-cut角度的最佳化設計開啟LightPipeWS_Start.lts利用Pickups的功能將兩個Alpha角度連結為相同值可以改變數值測試看看是否正確,71,Workshop6：LightPipe,將Alpha角度設定成為變數將上方及底部的照度觀察面設定成為MeshMeritFunction使用內定值即可調整光線的數目讓MeritFunction與NoiseFloor比率適當檢查初始的照度結果最佳化計算再次檢查最佳化後的照度結果,72,結果,Initial,Final,73,背光板網點排列設計工具BPO,BPO(BacklightPatternOptimization)ORA針對背光模組設計，特別開發的最佳化工具利用網點密度最佳化，彌補網點排列數學式不足BPO使用環境LightTools5.4以上的版本必須搭配最佳化模組使用使用MeshMeritFunction做最佳化運算,74,如何使用BPO,BPO是利用程式語言撰寫的工具Tools-工具指令獨立視窗,75,BPO佈點種類,提供兩種佈點種類：固定網點尺寸-密度最佳化固定間距-網點尺寸最佳化,76,網點進行BPO的條件,對密度最佳化模式而言支援所有3D結構與2D網點形狀支援凸點(Bump)或孔(Hole)對尺寸最佳化模式而言支援下列等距的排列方式Rectangular矩形Hexagonal六角型User支援凸點(Bump)或孔(Hole),77,BPO操作介面,78,步驟一：決定MF與TextureZone,Zone/MeshInfo頁面下拉選單會列出所有MeritFunction與網點表面(TextureZone)供選擇網點表面必須與MF接收面接近平行模型更新後，可以在BPO執行EditRefreshBPOData更新資訊兩個選項皆出現綠色勾號時才可進行最佳化,79,步驟二：決定最佳化佈點種類-VaryNumber,VaryNumber:網點等大小不等間距依照設定之網點大小，以密度改變的方式找出最佳密度分布定義網點最小間距-製程條件亂數分布-DitherControl擴大網點-Borde