lighttools光学模拟教程

LightTools光学仿真讲义STARSMAN2026/3/41精品课件LightTools是什么？LightTools基本上是一种具有弹性及效率之光学系统模型化的工具，它可以利用蒙地卡罗光线追迹的技术做光-机结构间的仿真，它可以不必假设系统之对称性，做单轴、全局、三维坐目标模拟。当光束穿越整个光学系统，光束可以自动地分裂为反射，折射，偏振光及散射的分量，当这束光穿越整个系统，光束可以包含物体任意的次序，独立的根据物理可实施之路径行进。这类的光线追迹一般称为“无限制的”或“非序列的”。LightTools所做的就是一个根据真实光线在真实世界里的路径的仿真仿真。2026/3/42精品课件基本辐射度学及亮度学概念辐射度学是关与任一波长的电磁辐射定量及量测.亮度学是完全相同的事,但是限制在人类眼睛有反应的波长范围.2026/3/43精品课件RADINANTFLUX辐射通量功率IRRADIANCE辐射照度每单位面积上的功率RADIANTINTENSITY辐射强度每单位立体角上的功率RADIANCE辐射亮度每单位面积,单位立体角上的功率辐射度学的四个基本单位2026/3/44精品课件亮度学的几个基本单位Luminousflux光通量功率Illuminance光照度每单位面积的功率Luminousintensity发光强度每单位立体角的功率Luminance亮度每单位面积,每单位立体角的功率2026/3/45精品课件光通量

辐射度学亮度学物理量辐射通量(Radiantflux)光通量(Luminousflux)单位瓦特(Watt(W))流明(Lumen(lm))单位面积上的光通量

辐射度学亮度学物理量辐射照度Irradiance光照度Illuminance单位W/m2lm/m2=Lux(lx)2026/3/46精品课件单位面积单位立体角的光功率

辐射度学亮度学物理量RadiantIntensity辐射强度LuminousIntensity发光强度单位W/sr烛光Candela(cd)=流明/立体角单位立体角的光功率

辐射度学亮度学物理量辐射亮度Radiance光亮度Luminance或Brightness单位W/m2-srlm/m2-sr=cd/m2=nit2026/3/47精品课件辐射度学与亮度学的转换一个candela发光强度的单位是定义为556nm的单色光光源在一定方向发出每立体角1/683瓦特的辐射强度流明是均匀的点光源发出一个candela的发光强度的光通量进入一个单位立体角2026/3/48精品课件关与精确度人们经常问“光学仿真有多精确﹖”。这个当然是一位尝试预测或解释实务系统行为的实务工程师所必须要问的问题。LightTools做所有的计算都可以采用浮点运算的方式，但这并未告诉我们太多有关精确的问题。实际的解答必须依赖下面两件事。1.你的系统模型假设有多好？例如，你有精确的量测你的光学系统表面散射特性吗？你有包含制造时的公差吗？是否几何光线追迹适合你的问题或你必须使用同调性光束或光束传播方法去模拟同调性或绕射效应。如果不能准确的提供这些信息给光学软件,你必须要牺牲一些参数来尽可能的趋进于现实,尽管这样看来,这些被牺牲的参数可能与实际的参数相差较大.但这是为了提供更加接近现实而做的牺牲.2.追迹了足够光线吗？当应用“蒙地卡罗”描述法时，“机会”是（这是统计）趋近法中的必要元素。这期望中的精确是光束数目的函数。在实务上，我们可以加倍光线追迹的数目，来看答案在预定的精度内是否达到稳定。若不稳定，则再增加光线追迹的数目。LightTools提供一个参数来帮助你评估这个精确度,这就是ErrorEstimateatPeak值,这个值越低,表示你的结果有可能越精确,适当的提高光线数目会减小这个值.当然,这一切只是有可能.具体的情况要看你的系统的具体状况.2026/3/49精品课件光线追迹的原理光线的概念几何光线的概念对光学是非常重要的，至少从牛顿的时代以来，光线经常被形容为垂直光电磁波波前的射线。对我们而言，光线的重要是在光线可以仿真电磁波能量（单位时间通过的能量或称为光通量）。光线不是一个携带量子能量的光子，光线所代表的是光能量的连续传递。结果，光线追迹的结果代表的是稳定态的状态。只要我们追迹够多的光线，只要我们光学系统空间的尺度远大于用于所模拟的光波波长，我们就可以假设系统与时间没有相关，使用光线模拟来获得高精度的真实光学系统行为预测。2026/3/410精品课件光学仿真软件中光线的概念任何一本教科书中光线追迹的章节，都会描述图中带箭头的蓝色线为“光线”.但在光学仿真的过程中,我们需要不同的定义:“光线是空间中带着方向向量与光通量的点。图中的这些线只是这些点通过光学系统的路径。”光学仿真的一切运转都是基于这一点.光学仿真软件以三维卡氏坐标(x、y、z)在与你所描述几何形状相同的全局坐标系统中描述光线。这些光线还有一个方向向量及相关的能量参数和介质属性伴随着它。在均匀介质中（例如真空或在玻璃、塑料对象中），光线沿着方向向量移动。在不同介质的接口或在反射面上，方向向量改变。当光在接口处理时，光通量及介质的特性也可能改变，在一个表面上所有光线的这些参数,是我们来评估,分析光学系统的基本.2026/3/411精品课件关与ReceiverReceiver是这样一种特殊的物体,它为系统提供了一个约定,系统会统计接触到这一物体的光线数据.这里再一次强调“光线”是空间中带有能量,方向向量及其他光线追迹所必须的参数的点而不是一条线.

当你的系统已经包含Receiver,并进行了足够数量的光线追迹后,系统便可以按照不同类型的Receiver来进行不同方面的分析工作.

当你需要某一种类型的分析,而该分析命令却是灰色的时候,很可能是因为你没有建立相应类型的Receiver.而当你执行某一类型的分析却得不到正确的数据时,很可能是因为你的系统设定问题导致光线无法正确的到达Receiver或者是你的Receiver设置了不正确的参数.2026/3/412精品课件系统初始设定及用户接口2026/3/413精品课件WindowNavigator通过这个窗口,可以查看当前状况下正在使用的窗口名单.单击窗口的名称可以启动该窗口,也可以通过右键单击的方式来进行最大化,最小化等操作2026/3/414精品课件SystemNavigator显示当前状态下所有组件(包含所使用的材料,定义的膜系,光源,Receiver(检光器)的名称及相互关系.可以通过单击来查看,选择或通过右键来修改其属性(properties)2026/3/415精品课件PreferenceNavigator在这个窗口内,可以查看或修改当前的系统设定(包含单位,光线追迹模式,系统精确度以及显示图形时的选项等.可以通过在树型目录内单击来查看,也可以使用右键来修改属性或设置当前设定为默认值2026/3/416精品课件Consolewindow

在这个窗口内,可以看到程序运行后生成的工作日志,以及命令运行后所产生的一些信息,同时,也可以在这个窗口内键入命令来执行.2026/3/417精品课件Errorwindow在这个窗口内,显示在程序运行过程当中所出现的错误或警告信息.这些信息通常是必须要引起注意并解决的.如果你的程序经常给出这样的信息而得不到解决的话,那么模拟的准确性就十分值得怀疑了.2026/3/418精品课件几个需要注意的设定2026/3/419精品课件3Ddesignviewerwindow这个窗口用与执行LightTools的大部分操作.同时在3D的显示图中可以对当前的几何模型进行选择,修改.也可以使用右键来修改相关表面的属性.2026/3/420精品课件这个面板档中包含八种类型的光学组件,通过级连菜单选择各分类命令.由于LightTools提供了较为灵活的定义方式,所以可以先不设置参数,通过在3D窗口内点选的方式插入物体.然后在Systemnavigator中右键单击,修改该物体properties中的各项参数设定Elementpanel2026/3/421精品课件2Dobjectpanel这个面板用于输入一些二维的曲线或者是字符.这一类型的物体通常不具备光学属性,但是可以通过这一个的物体来构建一些较为特殊的表面甚至是立体2026/3/422精品课件3Dobjectpanel在这个面板中,提供了常用的五种3D物体.如球体,立方体等.使用的方法和插入组件的方法类似,通常可以先行插入,然后再进行修改.2026/3/423精品课件Viewingpanel这个面板提供不同的查看方式,包含放大,缩小,按照坐标系进行旋转.值得一提的是在这个面板中提供了修改UCS坐标和在3D视图中量测距离的功能2026/3/424精品课件Raytracingpanel这个面版提供了插入各种类型的光源以及检光器(Receiver)的命令.当我们分析光学系统的时候,检光器(Receiver)是必须的.针对不同的分析需求,需要建立不同类型的检光器.同样的,这里建立的物体也可以在Systemnavigator中做进一步的修改.2026/3/425精品课件Modifyingpanel这个面版提供一系列的选择,修改指令.在这个面板的级连菜单中可以对物体进行移动,旋转.可以进行不同物体间的布尔,裁减等操作.另外,导入的几何模型也要在这个菜单中进行修复2026/3/426精品课件Thecommandline

和大多数软件类似,LightTools同样提供了以命令方式进行操作的接口.你可以在这个窗口内直接输入命令字符.

除了输入命令的功能,许多命令的参数也要在这个窗口内输入.输入窗口的上方会提示当前命令的状态或正在输入的参数名称.2026/3/427精品课件Thetoolbar

工具栏包含常用的功能,如放大缩小视图,视角变换.以及常用的选定物体,更改坐标系,修改物体属性(Properties),光线追迹等.如果不了解这些图目标涵义,可以将指标置于其上,你将看到一个简短的提示2026/3/428精品课件Utilitylibrary

为方便用户使用,LightTools提供了一些已经编辑好的模块来供用户调用.这个模块位于Tools>Utilitylibrary

这些模块是可以编辑的,他们的代码是完全开放给用户的.同时,你可以使用EXCEL或VisualBasic来添加新的插件或功能.2026/3/429精品课件建立基本几何模型Step1在CAD中建立Housing和入光结构注意坐标原点的位置,这是今后建模的参照此处要有一定的长度,这样在与LG布尔的时候两者有交迭的部分,不易产生错误2026/3/430精品课件Step2在RHINO中建立sat檔使用RHINO打开刚才编辑的图档选择拉伸实体选中所有曲线输入厚度另存为SAT格式2026/3/431精品课件Step3导入LightTools

删除导入后出错的几何体2026/3/432精品课件Step4添加导光版及各种贴布基本方法:1使用3DOBJECT工具添加BLOCK.2修改BLOCK为导光版大小并与之前导入的图形布尔3贴布采用BLOCK建立,并调整为回应大小4遮光贴布需建立两个BLOCK,其一为贴布大小,另一为窗口大小,调整好位置后二者相减右键选中刚刚插入的物体,选择Properties右键单击,更改名称.几何属性设定按住ctrl键不放,选中两个物体布尔及除料命令,分别用与导光版与锯齿结合和建立遮光贴布2026/3/433精品课件Step5选定几何体材质及光学参数