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第一章介绍

翻译：郑一狼

照明作为光学领域中的一个重要部分，对于很多公司和它们的产品来说正变得越来越重要。可是，直到现在对于照明系统设计和分析来说还没有可供广泛选择的专业软件，能够应用于照明系统的软件也很难使用。正因为如此，目前照明系统的设计通常是建立系统的模型然后测试此模型。

Li gh tT oo ls的照明模块是为了满足照明行业的需要而编写的。它通过计算机建模对照明系统进行精确的定量分析，从而帮助你更加快速有效的开发照明产品。

一.什么是L i gh t To o l s照明模块？

Li gh tT oo ls照明模块是L i gh tT oo ls核心模块的可选的扩展模块。它使用非序列性光线追迹并且基于元件进行建模，帮助你模拟完整的光学系统，包括系统的光源、光学元件和机械结构。

Li gh tT oo ls照明模块完全与Li gh t To ols核心模块相结合，并且添加了新的菜单和命令。因为两个模块是相互结合的，一旦你熟悉了Li gh tT oo l s核心模块，那么在你了解了Li gh t To ol s照明模块的一些特性后，将很快能够使用L ig ht To ol s照明模块。如果你是使用L i g h t T o o l s的新手，那么我们推荐你在学习L i gh tT oo l s照明模块之前先熟悉Li g ht To ol s核心模块，以此来熟悉Li gh tT oo l s的基本特性和操作。

Li gh tT oo ls照明模块使用非序列性光线追迹，这点和2D及3D设计视图是一致的，但是和I ma gi ng Pa th模块不一样，I m ag in g P a th模块只使用序列性光线追迹。

二．照明系统基础

大部分照明系统拥有以下这些特性，所有以下这些特性都可以在Li gh tT oo l s中被模拟。

●系统有一个或更多的照明光源，通常成一定角度并且不

均匀地分布在三维空间中。

●我们需要在系统的若干位置分析照度。

●我们需要分析远场的发光强度。

●我么需要创建不同的曲面属性，包括菲涅尔损失和散射

特性。

●我们需要进行非序列性光线追迹，对于照明计算可能更

适宜使用蒙特卡洛类型随机光线追迹。

1)光源

任何一种照明系统至少要有一个光源，或者有几个光源。L i gh tT oo ls照明模块允许你指定无限多个光源。这些光源可以是点光源、三维面光源或者三维立体光源。

面光源可以有一个统一的或者用户定义的空间分布，并且可以有统一的、朗伯的（L am be rt i an）、或者用户定义的角度分布。可以为光源的每个面单独指定这些分布。

立体光源可以有一个统一的或者自定义的空间分布，并且能够有一个统一的或者自定义的角度的空间分布。

使用Li gh tT ool s照明模块建立光源模型的细节请参考Li gh t S o ru ce s部分。

2)接收器

所有的照明系统至少有一个面上的照度很重要（它可能是远场位置的面），并且可能有相应的若干个这样的接收器。L i gh tT oo ls照明模块允许你指定无限多的接收器。

如何使用L i g h t T o o l s照明模块建立接收器请参考L i gh tT oo ls说明书中的Re ce iv er s部分。

3)面属性

Li gh tT o o ls核心模块允许你为三维立体对象的每个面单独指定面属性。这些属性包括光线传播模式（re fr ac t,TI R,r ef le ct 等等）以及表面处理（di ff ra ct io n,s c at te ri ng等等）。对于光学元件，可以为元件的不同表面区域指定这些属性。

三．蒙特卡洛光线追迹

Li gh tT oo ls核心模块中的光线追迹是基于蒙特卡洛光线追迹。这种方法可以对光源表面上任意点处的期望数目的光线（可能是几千条甚至几百万条）进行追迹，追迹的光线的方向可以是空间中指向任意角度的。光线起始点和方向的选择是基于描述光源发射光线性质的统计函数。每束光线发出的时候都拥有一定量的能量，能量的多少由光源的特性决定；这些能量随着光线穿过系统到达各种类型的表面而发生改变。然后这些能量在指定的接收器上被收集用来做统计分析并且将分析结果用图表显示出来。

照明分析中使用的光线追迹是非序列性光线追迹。这意味着光线遵循光学传播定律，但不仅仅是在事先指定顺序的一系列表面中传播，这种追迹描绘了系统的物理本质。除了系统中的光学部分，光线同样受到系统中的机械结构影响，或者被吸收，或者被反射，或者被散射。

L i g h t T o o l s照明模块中的蒙特卡洛光线追迹在说明书中的R u nn in g th e Si mul a ti on部分有详细的解释。

3.1对于分光束的优化光线追迹

对于散射表面，你可以在Pr op er t ie s对话框中将表面属性

设置为Re fl ec t,Tr a ns mi t或者两者兼具，如下图所示。

当你选择Re fle c t或者Tr an sm it，L ig ht To ol s只在光线到达表面后的相应的方向上进行追迹。当你选择Bo th后，L i gh tT oo ls可以同时追迹反射和传输光线；可是，在发生多光束分离的情况下进行光线追迹时，Lig h tT oo ls可能不得不追迹那些数目庞大携带的能量很少并且不是很重要的光线。在这种系统中，通过使用Pr o ba bi li st ic R ay S p li t选项你可以极大地提高光线追迹的效率，这个选项在所有的散射模型中都是可用的。

当Pr ob ab il ist i c R ay S pl i t选项处于开启状态时（默认设置），L ig ht To ol s任意选择并且追迹两束光线中的一束，使用基于随机理论的方法决定在每个光线分离处是追迹反射光线还是追迹继续向前传输的光线。随机光线追迹是以这种方式进行追迹的：对于要追迹的数量庞大的光线，反射光线和传输光线都能被观测到一个合适的功率平衡。在一个发生多光束分离的系统中，这将使光线追迹的速度变得更快，因为更少的光路被追迹。结果将很快得到，因为所有可能发生分离的光路按照它们携带的能量多少进行追迹。当Pr ob ab il is ti c R ay S pl it关闭时，Li gh tT

o o ls将追迹所有的分光束，或者只追迹携带能量最多的分光束。

计算随机分离光束使用的方法如下所述：

●对于Re fl ec t/Tr an s mi t,J on es M atr i x, M ue ll er

M a tr ix, Id ea l Lin e ar P ol ar iz er an d R et ar de r, a nd

L a mb er ti a n, Co sNt h, Ga us si an, Ell i pt ic al G au ss ia

n, U se r De fi ne d S c at te re r Ra y Amp l it ud es:如果传输、

反射和吸收为T、R和A，那么T+R+A=1，然后分离光线以

T/(R+T)或者R/(R+T)的概率进行传输或者反射，用(R+T)

这个因子计算光线能量以补偿吸收损耗。

●对于Mi xe d Sc at te r er,概率和以上所述的相似，除了