lighttools 基本操作(第1-2節(jié)課)

1、LightTools 軟件應用,主講:許孝芳,大綱,Section 1 非成像光學介紹 Section 2 LightTools 基本介紹 Section3 幾何形狀建立 Section4 構(gòu)建復雜對象 Section5 光學特性設定 Section6 定義光源 Section7 接受面與圖表 Section8 進行模擬 Section9 Utilities Library 簡介,非成像光學,非成像光學理論起源于六十年代中期，1966年，Hinterbgerer等在發(fā)表的一篇提高太陽能收集效率的文獻中首次提出“非成像光學”（non imaging optics）一詞。 1967年Bov提出將其

2、應用于太陽能收集系統(tǒng)中的復合拋物集能器（CPC，Compound Parabolic Concentrator）設計，同年，Ploke設計出一種應用于顯微鏡系統(tǒng)中替代傳統(tǒng)聚光鏡的三維CPC。 七十年代中期，Winston等人提出非成像光學概念，此后，一系列非成像光學理論的提出和完善極大地豐富了非成像光學概念。,非成像光學,非成像光學注重的并非是光源能夠在目標平面上成像及成像后的質(zhì)量，其主要關(guān)注的是光源的能量利用率以及該能量在方位角及空間內(nèi)的具體分布情況。 如圖1 所示，在成像光學系統(tǒng)中，其主要傳遞的是物點的光強度及位置信息，而在非成像光學系統(tǒng)中，則主要是對物點能量進行傳輸及重新組合與分配。,對

3、非成像光學系統(tǒng)的評估主要是能量收集率。 能量的分配,如圖2所示的非成像光學器件模型：A 所代表的平面是入射孔徑面積，A所在的平面則是出射孔徑面積。 假設該器件的出射孔徑面積A能夠讓全部光線都透過這部分面積出射，入射光束面積與出射光束面積這兩者之間的比值C 就是能量收集率。,能量收集率：C= A/ A,非成像光學系統(tǒng),與相差理論不同的是非成像光學不考慮或很少考慮相差對系統(tǒng)性能的影響，而是光能利用率作為系統(tǒng)的評價標準。 對于面光源，發(fā)光強度是有方向性的，因此亮度也是有方向性的。亮度是單位面積單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量，也就是說光通量在兩個集合空間擴展的一種量度，即在面積上的擴展和立體角內(nèi)的擴展。,相

4、關(guān)光學術(shù)語,Primary Illumination Quantities,Lm/sr=cd,Scattering（散射）,沒有完美的光滑表面，散射設計在設計上往往占有重大的功用！,接收面,Section 2 LightTools 基本介紹,LightTools Optical Research Associates 1963 成立 ，1994 LightTools開發(fā) Non-sequential Ray Tracing SoftWare 3D Object MonteCarlo Ray Trace Method,何時需要用到LightTools？,每一個需要控制光線的行業(yè)里都可以應用！,完

5、美的光學設計解決方案,LightTools 模塊 組成,系統(tǒng)的建構(gòu) 布爾運算 交互式3D建模環(huán)境的革命性照明設計軟件 包含宏語言和支持COM的界面,1、Core Module:提供了廣泛的光學模塊選擇方案,照明系統(tǒng)的仿真 Monto Cartoon光源 接收器與計量器,2、Illumination Module：提供蒙地卡羅模擬法,LED 照明用透鏡,完整的優(yōu)化系統(tǒng)：MeritreaFunction 尋找最佳情況，增進系統(tǒng)運算效率,3、Optimization Module：全新優(yōu)化功能,4、Four Data Transfer Module：支持通用工業(yè)CAD數(shù)據(jù)格式,標準格式：STEP、S

6、AT、IGES 特殊應用軟件的格式：CATIA,Lighttools設計舉例,BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd,K2 LED封裝一次配光舉例,Luxeon K2原廠數(shù)據(jù),BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd,光強分布為朗伯體 光通量：17.6 lm 最大光強5.04 cd,Light tools光學設計目標,設計目標 設計一款新的K2 LED的光學封裝結(jié)構(gòu)，使之具有高方向性的光強分布 設計要求 總的光通量不能減小太多 能簡易替換現(xiàn)有光學元件,BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd,初始設計,BEX

7、 Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd,在Solidworks建模，用SLM連接模塊傳遞到Lighttools,主光學元件初始結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)：由復雜的曲線旋轉(zhuǎn)得到的實體 材料：PMMA（polymethyl methacrylate 聚甲基丙烯酸甲酯 ） 光學表面特性：定義為Fresnel losses(菲涅爾損耗) 優(yōu)化變量：共9個 每條曲線有4個變量，共兩條曲線 光學元件的邊緣高度作為另一變量,BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd,Solidworks,設計目標的優(yōu)化,采用LightTools內(nèi)置的“準直函數(shù)”（collimate）作為該

8、例的評價函數(shù) 原理是將所有落在接受面上光線的余弦值一致化； 利用蒙特卡羅（Monte Carlo simulation）光線追跡的結(jié)果； 每次模擬19,000根光線，得到38,000個評價參數(shù)（每根光線有2個余弦值）。,BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd,優(yōu)化前的光強分布,初始結(jié)構(gòu)中的每個變量都是半隨機選擇的； 最初，有將近6lm的光能通過主光學元件從后面出射； 總的光通量是17.9lm，是由于光元件阻止了部分原來被反射吸收的光線； 最大光強3 cd； 但光強分布明顯還未達到最優(yōu)。,BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd,在Lig

9、ht Tools中模擬10,000,000條光線追跡后的光強分布圖,優(yōu)化結(jié)果(一),經(jīng)過優(yōu)化后,從LED出來的光得到了很好地準直； 17.5 lm的光通量全部向前發(fā)射，比原來的朗伯體只少一點； 軸向的光強是91.6 cd 是原來朗伯體的18倍， 是優(yōu)化初始結(jié)構(gòu)的30倍。,BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd,優(yōu)化結(jié)果(二),最終優(yōu)化的主光學元件比初始結(jié)構(gòu)高一點； 但曲線的形狀還是和初始結(jié)構(gòu)一樣。,BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd,Conclusion,經(jīng)過上述優(yōu)化，LED的一次光學設計使其效率和光強分布方向性提高了很多，因此光

10、學設計是非常重要。 現(xiàn)階段很多光源生產(chǎn)商在LED設計中應用的光學設計方式都是憑借自身經(jīng)驗或者仿照國外已成熟技術(shù)，自我創(chuàng)新設計能力非常差，這是國內(nèi)公司發(fā)展滯后的瓶頸。,BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd,LightTools的特色,CAD用戶圖形接口（GUI），使用簡單 能容易的修改建立的組件，包含布爾運算 可以讀取及轉(zhuǎn)成IGES、STEP及SAT文件格式 材質(zhì)：折射率、吸收率、體散射、偏振 表面：穿透反射吸收、散射、涂膜、偏振、Fresnel Loss Piont and shoot 光線追跡功能,A、模型建構(gòu),各式光源 各種觀察方式（照度、強度、輝度和色彩，

11、顯色指數(shù)） 速度快,B、照明分析,C、杰出的靈活性,結(jié)合指令列和GUI 其他軟件搭配，MATLAB、VB、VBA、C+,開始學習Lighttools軟件,光源,光學系統(tǒng),接收器,Monte Carlo 計算,照度圖表,照明分析的基本架構(gòu)：,確定你的計算機系統(tǒng),練習一：認識與設定個人接口,將3D編輯窗口修改為白底黑字，單位：光通量，曲率模式：Radius 1.將單位設為：mm，曲率模式改為Radius EditPreference（首選項） General Preference System Title：自行定義名稱 Unit Radius Mode,2、將接收面和光源的單位改為光通量,Defa

12、ult Recevier Source 單位改為Photometric Flux（光通量） Save：將環(huán)境儲存成系統(tǒng)內(nèi)定制 鼠標右鍵點擊Defulats Save General and Defaults(保存這些設置以供將來練習使用),3、將3D編輯窗口修改為白底黑字,View Preference3D_untitledColorsColor Scheme Black on White(白底黑字) 最后Save View preference,另外在View preference還可以設置,貼齊網(wǎng)格（ Grid Snap to Grid）將X Value 和Y Value設為低于0.1 m

13、m 可見性（Visibility）清除“顯示注釋”復選框(Show Annotation),Snap to Grid,提高設計的精確性,一般不用顯示。,Section 3 幾何模型的建立,開始一個新模型,Lighttools 的操作接口,3D設計窗口詳解,客制化自己的操作環(huán)境,善用鼠標右鍵,Lighttools 控制臺窗口（Console）,1、開始一個新模型,2、打開一個以前保存的模型,The Toolbar,The Command Panel指令按鈕,第一層：類別選單（共6種） 第二層：種類選單 第三層：指令選單,二維幾何模型的建立,三維幾何模型的建立,Section 4 建構(gòu)復雜的對象,

14、通過Lighttools所建構(gòu)的3D組件，我們稱為“Primitive”（原型） 復雜形狀的對象可以藉由以下方式獲得： 由多個原型所組成 讀取CAD軟件所建構(gòu)好的模型 可以藉由類別選單中的Edit（編輯）來進行修改。,畫Optical Elements的基本原結(jié)構(gòu),方塊（cube） 球（Sphere） 橢球（Ellipse） 圓柱（Cylinder） 超環(huán)面（toroid） 橢圓柱（EFiber） 自由面（Skinned）,輸入一個凸透鏡,方法一：,Primitives and Entities,Properties屬性對話框,第一步選中對象 第二步可以通過下面三種方式打開對話框 1、Edit

15、 Properties； 2、From the toolbar Properties button ； 3、By right-clicking, and selecting，Properties on the shortcut menu.,LightTools中所謂的【對象】,Lighttools 以實體模型為架構(gòu) 每一個物理實體都是一個完整的固體模型 每一個對象都有表面，表面不會獨立存在 所建構(gòu)的幾何形狀稱為“primitives”（原型） 原型多為球、方塊、柱狀等 可以透過編輯成復雜的幾何形狀 一個對象是透過多個原型結(jié)構(gòu)做組成的。,利用對話窗口修改屬性,直接點選3D對象或是樹狀列上的對象名

16、稱，呼叫properties屬性 窗口直接修改對象參數(shù)。 對象層可以修改坐標方位等 Primitive層可以修改外形尺寸,Primitives and Entities,Properties屬性對話框,第一步選中對象 第二步可以通過下面三種方式打開對話框 1、Edit Properties； 2、From the toolbar Properties button ； 3、By right-clicking, and selecting，Properties on the shortcut menu.,Dialog Boxes,You can also create a chart from

17、the data in any LightTools data table. To display a chart, select the table, right-click, and select Create Chart. The following figure shows a chart created from the raw data on an illuminance mesh.,Dialog Boxes,用滑塊sliders來選擇屬性,Modifying Tables 插入行,插入行,If you select Insert Rows, you are prompted to

18、 specify the number of rows to insert.,打開一個新窗口,打開一個新窗口,修改參數(shù)： 1、幾何尺寸,2、位置（坐標）,方法二：The Command Line命令欄,指定一個點：XYZ -2.4,1.2,5.6,【例1】用點輸入法來建一個長、寬、高均為10 mm，起始點位于（0，0, 0）的方塊。,輸出三個坐標,三維視圖,【例2】構(gòu)建一個長4 mm，寬2 mm，高3 mm起始點位于（1，-1, 0）的方塊。,坐標點可以通過絕對坐標值或相對坐標值的方式來輸入,XYZ LXYZ 絕對坐標 例：xyz 0,0,0 點位置在全局坐標的原點 DXYZ LDXYZ 相對

19、坐標 例；xyz 1,2,-3 相對前一點往x移1，往y移2，往z移-3 LA 2,45 長2 ，角度45 ； 重復上一個坐標,點輸入法建構(gòu)復雜物體,Extrude 的建立步驟,步驟1：定義外形： 點1，點2點n 步驟2:定義厚度: 選取另一窗口點n+1和點n+2 步驟3:輸入“；”或雙擊結(jié)束整個步驟,Revolved 的建立步驟,步驟1：定義外形： 步驟2：鼠標連續(xù)點2次或輸入“;”結(jié)束外形 步驟3:定義旋轉(zhuǎn)軸，輸入2個點 步驟4：決定旋轉(zhuǎn)的角度，可在指令欄輸入角度。,練習三,依次輸入如下坐標點。（也可在Excel表輸入后copy到命令欄） 注意：需在Y-Z平面作圖,點輸入,二、坐標系統(tǒng),L

20、ighttools 有全局（Global）與用戶坐標（UCS）兩種坐標系統(tǒng) 兩個坐標系統(tǒng)皆遵循右手定則,旋轉(zhuǎn)坐標采用光學旋轉(zhuǎn)坐標（Euler angle）,順序很重要！對多方向旋轉(zhuǎn)而言，Alpha先轉(zhuǎn)，接著Beta沿著新軸再轉(zhuǎn)，最后Gamma再沿著更新軸再轉(zhuǎn)。,用戶坐標系統(tǒng) 表面坐標系統(tǒng)（UCS）,每一個表面有屬于自己的坐標區(qū)域 Z軸為沿物體外的法線方向 可以使用UCS來觀察表面坐標位置,三點繪制UCS坐標,如何定義UCS,可以在View 面板上選取UCS Axes面板 UCS可以放置在表面或光在線來進行校正與定位。 _UCS坐標與全局坐標的相對關(guān)系，在進行草圖設計時是非常方便的。,UCS視圖

21、包括：前視圖、右視圖、上視圖,如何選取多個對象,1、在系統(tǒng)導覽中對對象編輯 利用Shift 和Ctrl 健來選取物體 2、利用功能面板選取物體,如何編輯對象,利用編輯功能面板 Move、Copy、Rotate、Align、Array等 利用文字選單編輯 選擇一個或多個對象后，按下鼠標右鍵，即出現(xiàn)文字選單提供編輯選項 Edit Selected All可以方便改變多個對象的特性,群組功能面板,群組功能可以讓每一個獨立卻有關(guān)系的對象群組起來。,Boolean operations布爾運算,Boolean operations可以將Lighttools所建立的對象群進行處理，以產(chǎn)生較復雜的對象。 布

22、爾運算種類 Union、Intersect、Subtract、Trim、Unbool,Command Palette for Boolean Operations (布爾運算),Union （聯(lián)集）,Intersect （交集）,Subtract （差集）,Trim （裁剪）,Unbool,Unbool is used to cancel the last Boolean operation performed on an object and restore each component object to being a separate object. This can be done

23、over multiple levels of Boolean operations forming complex structures. Select the Boolean object and click on Unbool to undo the last Boolean operation performed on the object. The command for the unbool operation is UnBoolean.,對單透鏡的編輯,Stretch、Bend、Fold、Cement、Break Immerse、Remove,膠合（Cement）,Cement常用在兩個表面間無空氣存在的情況。 膠合時若兩表面曲率不同，在第二選取的表面將會自動