lighttools光学模拟软件使用手册.ppt
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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。
WRITTEN BY ADAMLEE
8 2020/4/19
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 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
6 2020/4/19
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
WRITTEN BY ADAMLEE
IRRADIANCE
輻射照度
RADIANT INTENSITY 輻射強度
RADIANCE
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
WRITTEN BY ADAMLEE
3 2020/4/19
光度學的幾個基本單位
Luminous flux Illuminance
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.
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 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
5 2020/4/19
單位立體角的光功率
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.
7 2020/4/19
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.
WRITTEN BY ADAMLEE
10
2020/4/19
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.
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
WRITTEN BY ADAMLEE
4 2020/4/19
光通量
輻射度學 物理量 輻射通量(Radiant flux) 單位 瓦特 (Watt (W))
WRITTEN BY ADAMLEE
1 2020/4/19
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 2020/4/19
輻射度學的四個基本單位
RADINANT FLUX
輻射通量
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
光度學
光亮度 Luminance或Brightness lm/m2-sr=cd/m2 =nit
WRITTEN BY ADAMLEE
Hale Waihona Puke Baidu
9 2020/4/19
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.
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。
WRITTEN BY ADAMLEE
8 2020/4/19
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 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
6 2020/4/19
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
WRITTEN BY ADAMLEE
IRRADIANCE
輻射照度
RADIANT INTENSITY 輻射強度
RADIANCE
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
WRITTEN BY ADAMLEE
3 2020/4/19
光度學的幾個基本單位
Luminous flux Illuminance
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.
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 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
5 2020/4/19
單位立體角的光功率
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.
7 2020/4/19
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.
WRITTEN BY ADAMLEE
10
2020/4/19
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.
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
WRITTEN BY ADAMLEE
4 2020/4/19
光通量
輻射度學 物理量 輻射通量(Radiant flux) 單位 瓦特 (Watt (W))
WRITTEN BY ADAMLEE
1 2020/4/19
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 2020/4/19
輻射度學的四個基本單位
RADINANT FLUX
輻射通量
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
光度學
光亮度 Luminance或Brightness lm/m2-sr=cd/m2 =nit
WRITTEN BY ADAMLEE
Hale Waihona Puke Baidu
9 2020/4/19
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.