lighttools光学模拟教程
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LightTools光学仿真讲义
STARSMAN
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2021/4/18
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。
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2021/4/18
光通量
辐射度学 物理量 辐射通量(Radiant flux) 单位 瓦特 (Watt (W))
亮度学 光通量 (Luminous flux) 流明(Lumen(lm))
单位面积上的光通量
辐射度学 物理量 辐射照度 Irradiance 单位 W/m2
亮度学 光照度 Illuminance lm/m2 =Lux(lx)
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2021/4/18
关与Receiver
Receiver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.
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2021/4/18
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.
3wk.baidu.com
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2021/4/18
辐射度学的四个基本单位
RADINANT FLUX
辐射通量
IRRADIANCE
辐射照度
RADIANT INTENSITY 辐射强度
RADIANCE
辐射亮度
功率 每单位面积上的功率 每单位立体角上的功率 每单位面积,单位立体 角上的功率
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2021/4/18
亮度学的几个基本单位
Luminous flux Illuminance
光通量 光照度
Luminous intensity 发光强度
Luminance
亮度
功率 每单位面积的 功率 每单位立体角的 功率 每单位面积,每 单位立体角的功 率
亮度学
光亮度 Luminance或Brightness lm/m2-sr=cd/m2 =nit
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2021/4/18
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
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2021/4/18
单位立体角的光功率
辐射度学
物理量 Radiant Intensity辐射强度 单位 W/sr
亮度学
Luminous Intensity 发光强度 烛光 Candela(cd)=流明/立体 角
单位面积单位立体角的光功率
辐射度学
物理量 辐射亮度 Radiance 单位 W/m2-sr
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.
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2021/4/18
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。
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2021/4/18
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Error Estimate at Peak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.
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2021/4/18
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.
STARSMAN
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2021/4/18
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。
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2021/4/18
光通量
辐射度学 物理量 辐射通量(Radiant flux) 单位 瓦特 (Watt (W))
亮度学 光通量 (Luminous flux) 流明(Lumen(lm))
单位面积上的光通量
辐射度学 物理量 辐射照度 Irradiance 单位 W/m2
亮度学 光照度 Illuminance lm/m2 =Lux(lx)
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2021/4/18
关与Receiver
Receiver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.
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2021/4/18
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.
3wk.baidu.com
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2021/4/18
辐射度学的四个基本单位
RADINANT FLUX
辐射通量
IRRADIANCE
辐射照度
RADIANT INTENSITY 辐射强度
RADIANCE
辐射亮度
功率 每单位面积上的功率 每单位立体角上的功率 每单位面积,单位立体 角上的功率
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2021/4/18
亮度学的几个基本单位
Luminous flux Illuminance
光通量 光照度
Luminous intensity 发光强度
Luminance
亮度
功率 每单位面积的 功率 每单位立体角的 功率 每单位面积,每 单位立体角的功 率
亮度学
光亮度 Luminance或Brightness lm/m2-sr=cd/m2 =nit
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2021/4/18
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
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2021/4/18
单位立体角的光功率
辐射度学
物理量 Radiant Intensity辐射强度 单位 W/sr
亮度学
Luminous Intensity 发光强度 烛光 Candela(cd)=流明/立体 角
单位面积单位立体角的光功率
辐射度学
物理量 辐射亮度 Radiance 单位 W/m2-sr
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.
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2021/4/18
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。
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2021/4/18
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Error Estimate at Peak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.
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2021/4/18
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.