lighttools 基本操作(第1-2节课).ppt

1、LightTools 软件应用,主讲:许孝芳,大纲,Section 1 非成像光学介绍 Section 2 LightTools 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 Section9 Utilities Library 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”（non imaging optics）一词。 1967年Bov提出将其

2、应用于太阳能收集系统中的复合抛物集能器（CPC，Compound Parabolic Concentrator）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

3、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

4、光学术语,Primary Illumination Quantities,Lm/sr=cd,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,Section 2 LightTools 基本介绍,LightTools Optical Research Associates 1963 成立 ，1994 LightTools开发 Non-sequential Ray Tracing SoftWare 3D Object MonteCarlo Ray Trace Method,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

5、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、Core Module:提供了广泛的光学模块选择方案,照明系统的仿真 Monto Cartoon光源 接收器与计量器,2、Illumination Module：提供蒙地卡罗模拟法,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、Optimization Module：全新优化功能,4、Four Data Transfer Module：支持通用工业CAD数据格式,标准格式：STEP、SA

6、T、IGES 特殊应用软件的格式：CATIA,Lighttools设计举例,BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd,K2 LED封装一次配光举例,Luxeon K2原厂数据,BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd,光强分布为朗伯体 光通量：17.6 lm 最大光强5.04 cd,Light tools光学设计目标,设计目标 设计一款新的K2 LED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,BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd,初始设计,BEX

7、Technologies(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（polymethyl methacrylate 聚甲基丙烯酸甲酯 ） 光学表面特性：定义为Fresnel losses(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,BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd,Solidworks,设计目标的优化,采用LightTools内置的“准直函数”（collimate）作为该例

8、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（Monte Carlo simulation）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）。,BEX Technologies(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3 cd； 但光强分布明显还未达到最优。,BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd,在Ligh

9、t Tools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； 17.5 lm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91.6 cd 是原来朗伯体的18倍， 是优化初始结构的30倍。,BEX Technologies(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。,BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd,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

10、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。,BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd,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、Fresnel Loss Piont and shoot 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

11、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,Monte Carlo 计算,照度图表,照明分析的基本架构：,确定你的计算机系统,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Radius EditPreference（首选项） General Preference System Title：自行定义名称 Unit Radius Mode,2、将接收面和光源的单位改为光通量,Defau

12、lt Recevier Source 单位改为Photometric Flux（光通量） Save：将环境储存成系统内定制 鼠标右键点击Defulats Save General and Defaults(保存这些设置以供将来练习使用),3、将3D编辑窗口修改为白底黑字,View Preference3D_untitledColorsColor Scheme Black on White(白底黑字) 最后Save View preference,另外在View preference还可以设置,贴齐网格（ Grid Snap to Grid）将X Value 和Y Value设为低于0.1 mm

13、 可见性（Visibility）清除“显示注释”复选框(Show Annotation),Snap to Grid,提高设计的精确性,一般不用显示。,Section 3 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,The Toolbar,The Command Panel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,Section 4 建构复杂的对象,通

14、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Optical Elements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）,输入一个凸透镜,方法一：,Primitives and Entities,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

15、Properties； 2、From the toolbar Properties button ； 3、By right-clicking, and selecting，Properties on the shortcut menu.,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

16、，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,Primitives and Entities,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、From the toolbar Properties button ； 3、By right-clicking, and selecting，Properties on the shortcut menu.,Dialog Boxes,You can also create a chart from t

17、he data in any LightTools data table. To display a chart, select the table, right-click, and select Create Chart. The following figure shows a chart created from the raw data on an illuminance mesh.,Dialog Boxes,用滑块sliders来选择属性,Modifying Tables 插入行,插入行,If you select Insert Rows, you are prompted to

18、specify the number of rows to insert.,打开一个新窗口,打开一个新窗口,修改参数：1、几何尺寸,2、位置（坐标）,方法二：The Command Line命令栏,指定一个点：XYZ -2.4,1.2,5.6,【例1】用点输入法来建一个长、宽、高均为10 mm，起始点位于（0，0, 0）的方块。,输出三个坐标,三维视图,【例2】构建一个长4 mm，宽2 mm，高3 mm起始点位于（1，-1, 0）的方块。,坐标点可以通过绝对坐标值或相对坐标值的方式来输入,XYZ LXYZ 绝对坐标 例：xyz 0,0,0 点位置在全局坐标的原点 DXYZ LDXYZ 相对坐标

19、 例；xyz 1,2,-3 相对前一点往x移1，往y移2，往z移-3 LA 2,45 长2 ，角度45 ； 重复上一个坐标,点输入法建构复杂物体,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,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。,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,点输入,二、坐标系统,Lig

20、httools 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（Euler angle）,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。,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,如何定义UCS,可以在View 面板上选取UCS Axes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：

21、前视图、右视图、上视图,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,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 Edit Selected All可以方便改变多个对象的特性,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。,Boolean operations布尔运算,Boolean operations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

22、种类 Union、Intersect、Subtract、Trim、Unbool,Command Palette for Boolean Operations (布尔运算),Union （联集）,Intersect （交集）,Subtract （差集）,Trim （裁剪）,Unbool,Unbool is used to cancel the last Boolean operation performed on an object and restore each component object to being a separate object. This can be done ove

23、r multiple levels of Boolean operations forming complex structures. Select the Boolean object and click on Unbool to undo the last Boolean operation performed on the object. The command for the unbool operation is UnBoolean.,对单透镜的编辑,Stretch、Bend、Fold、Cement、Break Immerse、Remove,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