lighttools光学模拟教程

LightTools光学仿真讲义
STARSMAN
WRITTEN BY ADAMLEE
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2011/9/29
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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2011/9/29
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.
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辐射度学的四个基本单位
RADINANT FLUX IRRADIANCE RADIANT INTENSITY RADIANCE 辐射通量 辐射照度 辐射强度 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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亮度学的几个基本单位
Luminous flux Illuminance 光通量 光照度 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
Luminous intensity 发光强度 Luminance 亮度
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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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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
亮度学
光亮度 Luminance或Brightness lm/m2-sr=cd/m2 =nit
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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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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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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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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.
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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 Receiver, 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. 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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系统初始设定及用户接口
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Window Navigator
通过这个窗口,可以查看当前状况下正在使用的 窗口名单.单击窗口的名称可以启动该窗口,也可 以通过右键单击的方式来进行最大化,最小化等 操作
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System Navigator
显示当前状态下所有组件 (包含所使用的材料,定义 的膜系,光源,Receiver(检 光器)的名称及相互关系. 可以通过单击来查看,选 择或通过右键来修改其属 性(properties)
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Preference Navigator
在这个窗口内,可以查 看或修改当前的系统 设定(包含单位,光线追 迹模式,系统精确度以 及显示图形时的选项 等.可以通过在树型目 录内单击来查看,也可 以使用右键来修改属 性或设置当前设定为 默认值
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Console window
在这个窗口内,可以看到程序运行后生成的工作日志, 以及命令运行后所产生的一些信息,同时,也可以在这 个窗口内键入命令来执行.
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Error window
在这个窗口内,显示在程序运行过程当中所出 现的错误或警告信息.这些信息通常是必须要 引起注意并解决的.如果你的程序经常给出这 样的信息而得不到解决的话,那么模拟的准确 性就十分值得怀疑了.
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几个需要注意的设定
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3D design viewer window
这个窗口用与执行 LightTools的大部分操 作.同时在3D的显示图 中可以对当前的几何 模型进行选择,修改.也 可以使用右键来修改 相关表面的属性.
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Element panel 这个面板档中包含八种类型的光学 组件,通过级连菜单选择各分类命令. 由于LightTools提供了较为灵活的 定义方式,所以可以先不设置参数, 通过在3D窗口内点选的方式插入物 体.然后在System navigator中右键 单击,修改该物体properties中的各 项参数设定
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2D object panel
这个面板用于输入 一些二维的曲线或 者是字符.这一类型 的物体通常不具备 光学属性,但是可以 通过这一个的物体 来构建一些较为特 殊的表面甚至是立 体
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3D object panel
在这个面板中,提供 了常用的五种3D物 体.如球体,立方体等. 使用的方法和插入 组件的方法类似,通 常可以先行插入,然 后再进行修改.
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Viewing panel
这个面板提供不同的查看方 式,包含放大,缩小,按照坐标 系进行旋转.值得一提的是在 这个面板中提供了修改UCS 坐标和在3D视图中量测距离 的功能
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Ray tracing panel
这个面版提供了插入各种类型 的光源以及检光器(Receiver)的 命令.当我们分析光学系统的时 候,检光器(Receiver)是必须的. 针对不同的分析需求,需要建立 不同类型的检光器.同样的,这里 建立的物体也可以在System navigator 中做进一步的修改.
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Modifying panel
这个面版提供一系列的选择,修 改指令.在这个面板的级连菜单 中可以对物体进行移动,旋转. 可以进行不同物体间的布尔,裁 减等操作.另外,导入的几何模 型也要在这个菜单中进行修复
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The command line
和大多数软件类似,LightTools同样提供了以命 令方式进行操作的接口.你可以在这个窗口内直接输 入命令字符. 除了输入命令的功能,许多命令的参数也要在这 个窗口内输入.输入窗口的上方会提示当前命令的状 态或正在输入的参数名称.
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The toolbar
工具栏包含常用的功能,如放大缩小视图,视角 变换.以及常用的选定物体,更改坐标系,修改 物体属性(Properties),光线追迹等.如果不了 解这些图目标涵义,可以将指标置于其上,你将 看到一个简短的提示
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Utility library
为方便用户使 用,LightTools提供了一 些已经编辑好的模块来 供用户调用.这个模块位 于Tools> Utility library 这些模块是可以编 辑的,他们的代码是完全 开放给用户的.同时,你可 以使用EXCEL或Visual Basic来添加新的插件或 功能.