lighttools光学模拟软件使用手册
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當你需要某一種類型的分析,而該分析命令卻是灰色 的時候,很可能是因為你沒有建立相應類型的Receiver.而 當你執行某一類型的分析卻得不到正確的數據時,很可能 是因為你的系統設定問題導致光線無法正確的到達 Receiver或者是你的Receiver設置了不正確的參數.
WRITTEN BY ADAMLEE
25
2014/7/9
The command line
和大多數軟體類似,LightTools同樣提供了以命 令方式進行操作的界面.你可以在這個窗口內直接輸 入命令字符. 除了輸入命令的功能,許多命令的參數也要在這 個窗口內輸入.輸入窗口的上方會提示當前命令的狀 態或正在輸入的參數名稱.
WRITTEN BY ADAMLEE
WRITTEN BY ADAMLEE
5
2014/7/9
單位立體角的光功率
輻射度學
物理量 Radiant Intensity輻射強度 單位 W/sr
光度學
Luminous Intensity 發光強度 燭光 Candela(cd)=流明/立體 角
單位面積單位立體角的光功率
輻射度學
物理量 輻射亮度 Radiance 單位 W/m2-sr
WRITTEN BY ADAMLEE
20
2014/7/9
2D object panel
這個面板用於輸入 一些二維的曲線或 者是字符.這一類型 的物體通常不具備 光學屬性,但是可以 通過這一個的物體 來構建一些較為特 殊的表面甚至是立 體
WRITTEN BY ADAMLEE
21
2014/7/9
3D object panel
26
2014/7/9
The toolbar
工具列包含常用的功能,如放大縮小視圖,視角 變換.以及常用的選定物體,更改座標系,修改 物體屬性(Properties),光線追跡等.如果不了 解這些圖標的涵義,可以將指針置於其上,你將 看到一個簡短的提示
WRITTEN BY ADAMLEE
27
2014/7/9
13
2014/7/9
System Navigator
顯示當前狀態下所有元件 (包含所使用的材料,定義 的膜系,光源,Receiver(檢 光器)的名稱及相互關係. 可以通過單擊來查看,選 擇或通過右鍵來修改其屬 性(properties)
WRITTEN BY ADAMLEE
14
2014/7/9
Preference Navigator
19
2014/7/9
Element panel
這個面板檔中包含八種類型的光學 元件,通過級連菜單選擇各分類命令. 由於LightTools提供了較為靈活的 定義方式,所以可以先不設置參數, 通過在3D窗口內點選的方式插入物 體.然後在System navigator中右鍵 單擊,修改該物體properties中的各 項參數設定
17
2014/7/9
幾個需要注意的設定
WRITTEN BY ADAMLEE
18
2014/7/9
3D design viewer window
這個窗口用與執行 LightTools的大部分操 作.同時在3D的顯示圖 中可以對當前的幾何 模型進行選擇,修改.也 可以使用右鍵來修改 相關表面的屬性.
WRITTEN BY ADAMLEE
WRITTEN BY ADAMLEE
4
2014/7/9
光通量
輻射度學 物理量 輻射通量(Radiant flux) 單位 瓦特 (Watt (W)) 光度學 光通量 (Luminous flux) 流明(Lumen(lm))
單位面積上的光通量
輻射度學Biblioteka Baidu物理量 輻射照度 Irradiance 單位 W/m2 光度學 光照度 Illuminance lm/m2 =Lux(lx)
WRITTEN BY ADAMLEE
8
2014/7/9
光線追跡的原理
光線的概念
幾何光線的概念對光學是非常重要的，至少從牛頓的時代以來，光線經 常被形容為垂直光電磁波波前的射線。對我們而言，光線的重要是在光
線可以模擬電磁波能量（單位時間通過的能量或稱為光通量）。光線不
是一個攜帶量子能量的光子，光線所代表的是光能量的連續傳遞。結 果，光線追跡的結果代表的是穩定態的狀態。只要我們追跡夠多的光 線，只要我們光學系統空間的尺度遠大於用於所模擬的光波波長，我們
11
2014/7/9
系統初始設定及用戶界面
WRITTEN BY ADAMLEE
12
2014/7/9
Window Navigator
通過這個窗口,可以查看當前狀況下正在使用的 窗口名單.單擊窗口的名稱可以激活該窗口,也可 以通過右鍵單擊的方式來進行最大化,最小化等 操作
WRITTEN BY ADAMLEE
WRITTEN BY ADAMLEE
28
2014/7/9
建立基本幾何模型
Step 1 在CAD中建立Housing和入光結構
注意座標原點的位置,這是 今後建模的參照
此處要有一定的長度, 這樣在與LG布林的 時候兩者有交疊的部 分,不易產生錯誤
WRITTEN BY ADAMLEE
7
2014/7/9
關與精確度
人們經常問“光學模擬有多精確﹖”。這個當然是一位嘗試預測或解釋實務系統行為的 實務工程師所必須要問的問題。LightTools做所有的計算都可以採用浮點運算的方式， 但這並未告訴我們太多有關精確的問題。實際的解答必須依賴下面兩件事。 1. 你的系統模型假設有多好？ 例如，你有精確的量測你的光學系統表面散射特性嗎？你有包含製造時的公差嗎？是 否幾何光線追跡適合你的問題或你必須使用同調性光束或光束傳播方法去模擬同調性 或繞射效應。如果不能準確的提供這些信息給光學軟體,你必須要犧牲一些參數來盡可 能的趨進於現實,儘管這樣看來,這些被犧牲的參數可能與實際的參數相差較大.但這是 為了提供更加接近現實而做的犧牲. 2. 追跡了足夠光線嗎？ 當應用“蒙地卡羅”描述法時，“機會”是（這是統計）趨近法中的必要元素。這期 望中的精確是光束數目的函數。在實務上，我們可以加倍光線追跡的數目，來看答案 在預定的精度內是否達到穩定。若不穩定，則再增加光線追跡的數目。LightTools提供 一個參數來幫助你評估這個精確度,這就是Error Estimate at Peak值,這個值越低,表示你的 結果有可能越精確,適當的提高光線數目會減小這個值.當然,這一切只是有可能.具體的 情況要看你的系統的具體狀況.
WRITTEN BY ADAMLEE
10
2014/7/9
關與Receiver
Receiver是這樣一種特殊的物體,它為系統提供了一個約 定,系統會統計接觸到這一物體的光線數據.這裡再一次強 調“光線”是空間中帶有能量,方向向量及其他光線追跡 所必須的參數的點而不是一條線.
當你的系統已經包含Receiver,並進行了足夠數量的 光線追跡後,系統便可以按照不同類型的Receiver來進行 不同方面的分析工作.
WRITTEN BY ADAMLEE
23
2014/7/9
Ray tracing panel
這個面版提供了插入各種類型 的光源以及檢光器(Receiver)的 命令.當我們分析光學系統的時 候,檢光器(Receiver)是必須的. 針對不同的分析需求,需要建立 不同類型的檢光器.同樣的,這裡 建立的物體也可以在System navigator 中做進一步的修改.
LightTools是什麼？
LightTools 基本上是一種具有彈性及效率之光學系統 模型化的工具，它可以利用蒙地卡羅光線追跡的技術 做光-機結構間的模擬，它可以不必假設系統之對稱性， 做單軸、全域、三維坐標的模擬。 當光束穿越整個光學系統，光束可以自動地分裂 為反射，折射，偏振光及散射的分量，當這束光穿越 整個系統，光束可以包含物體任意的次序，獨立的根 據物理可實施之路徑行進。這類的光線追跡一般稱為 “無限制的”或“非序列的”。LightTools所做的就是 一個根據真實光線在真實世界裡的路徑的仿真模擬。
光度學
光亮度 Luminance或Brightness lm/m2-sr=cd/m2 =nit
WRITTEN BY ADAMLEE
6
2014/7/9
輻射度學與光度學的轉換
一個candela發光強度的單位是定義為556nm的單色 光光源在一定方向發出每立體角1/683瓦特的輻射強 度 流明是均勻的點光源發出一個candela的發光強度的 光通量進入一個單位立體角
在這個窗口內,可以查 看或修改當前的系統 設定(包含單位,光線追 跡模式,系統精確度以 及顯示圖形時的選項 等.可以通過在樹型目 錄內單擊來查看,也可 以使用右鍵來修改屬 性或設置當前設定為 默認值
WRITTEN BY ADAMLEE
15
2014/7/9
Console window
在這個窗口內,可以看到程式運行後生成的工作日誌, 以及命令運行後所產生的一些信息,同時,也可以在這 個窗口內鍵入命令來執行.
WRITTEN BY ADAMLEE
16
2014/7/9
Error window
在這個窗口內,顯示在程式運行過程當中所出 現的錯誤或警告信息.這些信息通常是必須要 引起注意併解決的.如果你的程式經常給出這 樣的信息而得不到解決的話,那麼模擬的準確 性就十分值得懷疑了.
WRITTEN BY ADAMLEE
Utility library
為方便用戶使 用,LightTools提供了一 些已經編輯好的模塊來 供用戶調用.這個模塊位 於Tools> Utility library
這些模塊是可以編 輯的,他們的代碼是完全 開放給用戶的.同時,你可 以使用EXCEL或Visual Basic來添加新的插件或 功能.
WRITTEN BY ADAMLEE
3
2014/7/9
光度學的幾個基本單位
Luminous flux Illuminance
光通量 光照度
Luminous intensity 發光強度
Luminance
亮度
功率 每單位面積的 功率 每單位立體角的 功率 每單位面積,每 單位立體角的功 率
就可以假設系統與時間沒有相關，使用光線模擬來獲得高精度的真實光
學系統行為預測。
WRITTEN BY ADAMLEE
9
2014/7/9
光學模擬軟體中光線的概念
任何一本教科書中光線追跡的章節，都會描述圖中帶箭頭的藍色線為“光 線”.但在光學模擬的過程中,我們需要不同的定義:“光線是空間中帶著方向向 量與光通量的點。圖中的這些線只是這些點通過光學系統的路徑。”光學模 擬的一切運轉都是基於這一點. 光學模擬軟體以三維卡氏座標 (x、y、z) 在與你所描述幾何形狀相同的全域 座標系統中描述光線。這些光線還有一個方向向量及相關的能量參數和介質 屬性伴隨著它。在均勻介質中（例如真空或在玻璃、塑膠物件中），光線沿 著方向向量移動。在不同介質的界面或在反射面上，方向向量改變。當光在 界面處理時，光通量及介質的特性也可能改變，在一個表面上所有光線的這 些參數,是我們來評估,分析光學系統的基本.
在這個面板中,提供 了常用的五種3D物 體.如球體,立方體等. 使用的方法和插入 元件的方法類似,通 常可以先行插入,然 後再進行修改.
WRITTEN BY ADAMLEE
22
2014/7/9
Viewing panel
這個面板提供不同的查看方 式,包含放大,縮小,按照座標 系進行旋轉.值得一提的是在 這個面板中提供了修改UCS 座標和在3D視圖中量測距離 的功能
WRITTEN BY ADAMLEE
24
2014/7/9
Modifying panel
這個面版提供一系列的選擇,修 改指令.在這個面板的級連菜單 中可以對物體進行移動,旋轉. 可以進行不同物體間的布林,裁 減等操作.另外,導入的幾何模 型也要在這個菜單中進行修復
WRITTEN BY ADAMLEE
WRITTEN BY ADAMLEE
1
2014/7/9
基本輻射度學及光度學概念
輻射度學是關與任一波長的電磁輻 射定量及量測. 光度學是完全相同的事,但是限制 在人類眼睛有反應的波長範圍.
WRITTEN BY ADAMLEE
2
2014/7/9
輻射度學的四個基本單位
RADINANT FLUX IRRADIANCE RADIANT INTENSITY RADIANCE 輻射通量 輻射照度 輻射強度 輻射亮度 功率 每單位面積上的功率 每單位立體角上的功率 每單位面積,單位立體 角上的功率
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2014/7/9
The command line
和大多數軟體類似,LightTools同樣提供了以命 令方式進行操作的界面.你可以在這個窗口內直接輸 入命令字符. 除了輸入命令的功能,許多命令的參數也要在這 個窗口內輸入.輸入窗口的上方會提示當前命令的狀 態或正在輸入的參數名稱.
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2014/7/9
單位立體角的光功率
輻射度學
物理量 Radiant Intensity輻射強度 單位 W/sr
光度學
Luminous Intensity 發光強度 燭光 Candela(cd)=流明/立體 角
單位面積單位立體角的光功率
輻射度學
物理量 輻射亮度 Radiance 單位 W/m2-sr
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2014/7/9
2D object panel
這個面板用於輸入 一些二維的曲線或 者是字符.這一類型 的物體通常不具備 光學屬性,但是可以 通過這一個的物體 來構建一些較為特 殊的表面甚至是立 體
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2014/7/9
3D object panel
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2014/7/9
The toolbar
工具列包含常用的功能,如放大縮小視圖,視角 變換.以及常用的選定物體,更改座標系,修改 物體屬性(Properties),光線追跡等.如果不了 解這些圖標的涵義,可以將指針置於其上,你將 看到一個簡短的提示
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2014/7/9
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2014/7/9
System Navigator
顯示當前狀態下所有元件 (包含所使用的材料,定義 的膜系,光源,Receiver(檢 光器)的名稱及相互關係. 可以通過單擊來查看,選 擇或通過右鍵來修改其屬 性(properties)
WRITTEN BY ADAMLEE
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2014/7/9
Preference Navigator
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2014/7/9
Element panel
這個面板檔中包含八種類型的光學 元件,通過級連菜單選擇各分類命令. 由於LightTools提供了較為靈活的 定義方式,所以可以先不設置參數, 通過在3D窗口內點選的方式插入物 體.然後在System navigator中右鍵 單擊,修改該物體properties中的各 項參數設定
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2014/7/9
幾個需要注意的設定
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2014/7/9
3D design viewer window
這個窗口用與執行 LightTools的大部分操 作.同時在3D的顯示圖 中可以對當前的幾何 模型進行選擇,修改.也 可以使用右鍵來修改 相關表面的屬性.
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2014/7/9
光通量
輻射度學 物理量 輻射通量(Radiant flux) 單位 瓦特 (Watt (W)) 光度學 光通量 (Luminous flux) 流明(Lumen(lm))
單位面積上的光通量
輻射度學Biblioteka Baidu物理量 輻射照度 Irradiance 單位 W/m2 光度學 光照度 Illuminance lm/m2 =Lux(lx)
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2014/7/9
光線追跡的原理
光線的概念
幾何光線的概念對光學是非常重要的，至少從牛頓的時代以來，光線經 常被形容為垂直光電磁波波前的射線。對我們而言，光線的重要是在光
線可以模擬電磁波能量（單位時間通過的能量或稱為光通量）。光線不
是一個攜帶量子能量的光子，光線所代表的是光能量的連續傳遞。結 果，光線追跡的結果代表的是穩定態的狀態。只要我們追跡夠多的光 線，只要我們光學系統空間的尺度遠大於用於所模擬的光波波長，我們
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2014/7/9
系統初始設定及用戶界面
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2014/7/9
Window Navigator
通過這個窗口,可以查看當前狀況下正在使用的 窗口名單.單擊窗口的名稱可以激活該窗口,也可 以通過右鍵單擊的方式來進行最大化,最小化等 操作
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2014/7/9
建立基本幾何模型
Step 1 在CAD中建立Housing和入光結構
注意座標原點的位置,這是 今後建模的參照
此處要有一定的長度, 這樣在與LG布林的 時候兩者有交疊的部 分,不易產生錯誤
WRITTEN BY ADAMLEE
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2014/7/9
關與精確度
人們經常問“光學模擬有多精確﹖”。這個當然是一位嘗試預測或解釋實務系統行為的 實務工程師所必須要問的問題。LightTools做所有的計算都可以採用浮點運算的方式， 但這並未告訴我們太多有關精確的問題。實際的解答必須依賴下面兩件事。 1. 你的系統模型假設有多好？ 例如，你有精確的量測你的光學系統表面散射特性嗎？你有包含製造時的公差嗎？是 否幾何光線追跡適合你的問題或你必須使用同調性光束或光束傳播方法去模擬同調性 或繞射效應。如果不能準確的提供這些信息給光學軟體,你必須要犧牲一些參數來盡可 能的趨進於現實,儘管這樣看來,這些被犧牲的參數可能與實際的參數相差較大.但這是 為了提供更加接近現實而做的犧牲. 2. 追跡了足夠光線嗎？ 當應用“蒙地卡羅”描述法時，“機會”是（這是統計）趨近法中的必要元素。這期 望中的精確是光束數目的函數。在實務上，我們可以加倍光線追跡的數目，來看答案 在預定的精度內是否達到穩定。若不穩定，則再增加光線追跡的數目。LightTools提供 一個參數來幫助你評估這個精確度,這就是Error Estimate at Peak值,這個值越低,表示你的 結果有可能越精確,適當的提高光線數目會減小這個值.當然,這一切只是有可能.具體的 情況要看你的系統的具體狀況.
WRITTEN BY ADAMLEE
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2014/7/9
關與Receiver
Receiver是這樣一種特殊的物體,它為系統提供了一個約 定,系統會統計接觸到這一物體的光線數據.這裡再一次強 調“光線”是空間中帶有能量,方向向量及其他光線追跡 所必須的參數的點而不是一條線.
當你的系統已經包含Receiver,並進行了足夠數量的 光線追跡後,系統便可以按照不同類型的Receiver來進行 不同方面的分析工作.
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2014/7/9
Ray tracing panel
這個面版提供了插入各種類型 的光源以及檢光器(Receiver)的 命令.當我們分析光學系統的時 候,檢光器(Receiver)是必須的. 針對不同的分析需求,需要建立 不同類型的檢光器.同樣的,這裡 建立的物體也可以在System navigator 中做進一步的修改.
LightTools是什麼？
LightTools 基本上是一種具有彈性及效率之光學系統 模型化的工具，它可以利用蒙地卡羅光線追跡的技術 做光-機結構間的模擬，它可以不必假設系統之對稱性， 做單軸、全域、三維坐標的模擬。 當光束穿越整個光學系統，光束可以自動地分裂 為反射，折射，偏振光及散射的分量，當這束光穿越 整個系統，光束可以包含物體任意的次序，獨立的根 據物理可實施之路徑行進。這類的光線追跡一般稱為 “無限制的”或“非序列的”。LightTools所做的就是 一個根據真實光線在真實世界裡的路徑的仿真模擬。
光度學
光亮度 Luminance或Brightness lm/m2-sr=cd/m2 =nit
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2014/7/9
輻射度學與光度學的轉換
一個candela發光強度的單位是定義為556nm的單色 光光源在一定方向發出每立體角1/683瓦特的輻射強 度 流明是均勻的點光源發出一個candela的發光強度的 光通量進入一個單位立體角
在這個窗口內,可以查 看或修改當前的系統 設定(包含單位,光線追 跡模式,系統精確度以 及顯示圖形時的選項 等.可以通過在樹型目 錄內單擊來查看,也可 以使用右鍵來修改屬 性或設置當前設定為 默認值
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2014/7/9
Console window
在這個窗口內,可以看到程式運行後生成的工作日誌, 以及命令運行後所產生的一些信息,同時,也可以在這 個窗口內鍵入命令來執行.
WRITTEN BY ADAMLEE
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2014/7/9
Error window
在這個窗口內,顯示在程式運行過程當中所出 現的錯誤或警告信息.這些信息通常是必須要 引起注意併解決的.如果你的程式經常給出這 樣的信息而得不到解決的話,那麼模擬的準確 性就十分值得懷疑了.
WRITTEN BY ADAMLEE
Utility library
為方便用戶使 用,LightTools提供了一 些已經編輯好的模塊來 供用戶調用.這個模塊位 於Tools> Utility library
這些模塊是可以編 輯的,他們的代碼是完全 開放給用戶的.同時,你可 以使用EXCEL或Visual Basic來添加新的插件或 功能.
WRITTEN BY ADAMLEE
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2014/7/9
光度學的幾個基本單位
Luminous flux Illuminance
光通量 光照度
Luminous intensity 發光強度
Luminance
亮度
功率 每單位面積的 功率 每單位立體角的 功率 每單位面積,每 單位立體角的功 率
就可以假設系統與時間沒有相關，使用光線模擬來獲得高精度的真實光
學系統行為預測。
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光學模擬軟體中光線的概念
任何一本教科書中光線追跡的章節，都會描述圖中帶箭頭的藍色線為“光 線”.但在光學模擬的過程中,我們需要不同的定義:“光線是空間中帶著方向向 量與光通量的點。圖中的這些線只是這些點通過光學系統的路徑。”光學模 擬的一切運轉都是基於這一點. 光學模擬軟體以三維卡氏座標 (x、y、z) 在與你所描述幾何形狀相同的全域 座標系統中描述光線。這些光線還有一個方向向量及相關的能量參數和介質 屬性伴隨著它。在均勻介質中（例如真空或在玻璃、塑膠物件中），光線沿 著方向向量移動。在不同介質的界面或在反射面上，方向向量改變。當光在 界面處理時，光通量及介質的特性也可能改變，在一個表面上所有光線的這 些參數,是我們來評估,分析光學系統的基本.
在這個面板中,提供 了常用的五種3D物 體.如球體,立方體等. 使用的方法和插入 元件的方法類似,通 常可以先行插入,然 後再進行修改.
WRITTEN BY ADAMLEE
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2014/7/9
Viewing panel
這個面板提供不同的查看方 式,包含放大,縮小,按照座標 系進行旋轉.值得一提的是在 這個面板中提供了修改UCS 座標和在3D視圖中量測距離 的功能
WRITTEN BY ADAMLEE
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2014/7/9
Modifying panel
這個面版提供一系列的選擇,修 改指令.在這個面板的級連菜單 中可以對物體進行移動,旋轉. 可以進行不同物體間的布林,裁 減等操作.另外,導入的幾何模 型也要在這個菜單中進行修復
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WRITTEN BY ADAMLEE
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2014/7/9
基本輻射度學及光度學概念
輻射度學是關與任一波長的電磁輻 射定量及量測. 光度學是完全相同的事,但是限制 在人類眼睛有反應的波長範圍.
WRITTEN BY ADAMLEE
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2014/7/9
輻射度學的四個基本單位
RADINANT FLUX IRRADIANCE RADIANT INTENSITY RADIANCE 輻射通量 輻射照度 輻射強度 輻射亮度 功率 每單位面積上的功率 每單位立體角上的功率 每單位面積,單位立體 角上的功率