lighttools 基本操作(第节课)

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简介当前1页，总共118页。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。当前2页，总共118页。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。当前3页，总共118页。当前4页，总共118页。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。当前5页，总共118页。能量收集率：C=A/A′当前6页，总共118页。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。

当前7页，总共118页。相关光学术语亮度光强当前8页，总共118页。PrimaryIlluminationQuantitiesLm/sr=cdFlux通量Illuminance(照度)Intensity(光强)Luminance(亮度or辉度)/Area/SolidAngleLm/㎡/Area/SolidAngleCd/㎡当前9页，总共118页。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！接收面当前10页，总共118页。Section2LightTools基本介绍LightToolsOpticalResearchAssociates1963成立，1994LightTools开发Non-sequentialRayTracingSoftWare3DObjectMonteCarloRayTraceMethod当前11页，总共118页。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！当前12页，总共118页。完美的光学设计解决方案当前13页，总共118页。当前14页，总共118页。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当前15页，总共118页。当前16页，总共118页。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当前17页，总共118页。光型設計（A字母）Target光型設計（圓變方）LED照明用透鏡当前18页，总共118页。完整的优化系统：MeritreaFunction寻找最佳情况，增进系统运算效率3、OptimizationModule：全新优化功能当前19页，总共118页。当前20页，总共118页。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当前21页，总共118页。Lighttools设计举例BEXTechnologies(Jiangsu)Inc.,LtdK2LED封装一次配光举例当前22页，总共118页。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当前23页，总共118页。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当前24页，总共118页。初始设计BEXTechnologies(Jiangsu)Inc.,Ltd在Solidworks建模，用SLM连接模块传递到Lighttools当前25页，总共118页。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当前26页，总共118页。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当前27页，总共118页。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当前28页，总共118页。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当前29页，总共118页。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当前30页，总共118页。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当前31页，总共118页。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、模型建构当前32页，总共118页。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++当前33页，总共118页。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：当前34页，总共118页。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当前35页，总共118页。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Radius

Edit—Preference（首选项）—GeneralPreference—SystemTitle：自行定义名称UnitRadiusMode当前36页，总共118页。曲率不进行焦距渲染当前37页，总共118页。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)当前38页，总共118页。光通量辐通量当前39页，总共118页。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当前40页，总共118页。当前41页，总共118页。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)当前42页，总共118页。SnaptoGrid当前43页，总共118页。提高设计的精确性当前44页，总共118页。一般不用显示。当前45页，总共118页。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当前46页，总共118页。Lighttools控制台窗口（Console）当前47页，总共118页。1、开始一个新模型当前48页，总共118页。当前49页，总共118页。2、打开一个以前保存的模型当前50页，总共118页。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当前51页，总共118页。当前52页，总共118页。TheToolbar当前53页，总共118页。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：指令选单当前54页，总共118页。二维几何模型的建立当前55页，总共118页。三维几何模型的建立当前56页，总共118页。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。当前57页，总共118页。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）当前58页，总共118页。输入一个凸透镜方法一：当前59页，总共118页。PrimitivesandEntities当前60页，总共118页。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.

当前61页，总共118页。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。当前62页，总共118页。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当前63页，总共118页。PrimitivesandEntities当前64页，总共118页。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.

当前65页，总共118页。DialogBoxesYoucanalsocreateachartfromthedatainanyLightToolsdatatable.Todisplayachart,selectthetable,right-click,andselectCreateChart.Thefollowingfigureshowsachartcreatedfromtherawdataonanilluminancemesh.当前66页，总共118页。DialogBoxes当前67页，总共118页。用滑块sliders来选择属性当前68页，总共118页。ModifyingTables——插入行当前69页，总共118页。插入行当前70页，总共118页。IfyouselectInsertRows,youarepromptedtospecifythenumberofrowstoinsert.

当前71页，总共118页。打开一个新窗口当前72页，总共118页。打开一个新窗口当前73页，总共118页。修改参数：

1、几何尺寸当前74页，总共118页。2、位置（坐标）起始点坐标当前75页，总共118页。方法二：TheCommandLine命令栏指定一个点：XYZ-2.4,1.2,5.6

当前76页，总共118页。【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。当前77页，总共118页。输出三个坐标当前78页，总共118页。三维视图当前79页，总共118页。【例2】构建一个长4mm，宽2mm，高3mm起始点位于（1，-1,0）的方块。当前80页，总共118页。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；重复上一个坐标当前81页，总共118页。点输入法建构复杂物体当前82页，总共118页。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当前83页，总共118页。当前84页，总共118页。当前85页，总共118页。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。当前86页，总共118页。当前87页，总共118页。当前88页，总共118页。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平面作图当前89页，总共118页。点输入当前90页，总共118页。当前91页，总共118页。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。当前92页，总共118页。当前93页，总共118页。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坐标当前94页，总共118页。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、上视图当前95页，总共118页。当前96页，总共118页。当前97页，总共118页。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当前98页，总共118页。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当前99页，总共118页。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。当前100页，总共118页。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当前101页，总共118页。CommandPaletteforBooleanOperations

(布尔运算)当前102页，总共118页。Union（联集）当前103页，总共118页。Intersect（交集）当前104页，总共118页。Subtract（差集）当前105页，总共118页。Trim（裁剪）当前106页，总共118页。UnboolUnboolisusedtocancelthelastBooleanoperationperformedonanobjectandrestoreeachcomponentobjecttobeingaseparateobject.ThiscanbedoneovermultiplelevelsofBooleanoperationsformingcomplexstructures.SelecttheBooleanobjectandclickonUnbooltoundothelastBooleanoperationperformedontheobject.ThecommandfortheunbooloperationisUnBoolean.当前107页，总共118页。对单透镜的编辑Stretch、Bend、Fold、Cement、BreakImmerse