lighttools基本操作课课件.ppt
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- lighttools 基本 操作 课件
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1、LightTools 软件应用软件应用n主讲主讲:许孝芳许孝芳大纲大纲nSection 1 非成像光学介绍非成像光学介绍nSection 2 LightTools 基本介绍基本介绍nSection3 几何形状建立几何形状建立nSection4 构建复杂对象构建复杂对象nSection5 光学特性设定光学特性设定nSection6 定义光源定义光源nSection7 接受面与图表接受面与图表nSection8 进行模拟进行模拟nSection9 Utilities Library 简介简介非成像光学非成像光学n非成像光学理论起源于六十年代中期,非成像光学理论起源于六十年代中期,1966年,年,H
2、interbgerer等在发表的一篇提高太阳能收集效率的等在发表的一篇提高太阳能收集效率的文献中首次提出文献中首次提出“非成像光学非成像光学”(non imaging optics)一词。)一词。n1967年年Bov提出将其应用于太阳能收集系统中的提出将其应用于太阳能收集系统中的复复合抛物集能器合抛物集能器(CPC,Compound Parabolic Concentrator)设计,同年,)设计,同年,Ploke设计出一种应用设计出一种应用于显微镜系统中替代传统聚光镜的三维于显微镜系统中替代传统聚光镜的三维CPC。n七十年代七十年代中期,中期,Winston等人提出非成像光学概念,等人提出非
3、成像光学概念,此后,一系列非成像光学理论的提出和完善极大地丰此后,一系列非成像光学理论的提出和完善极大地丰富了非成像光学概念。富了非成像光学概念。非成像光学非成像光学u非成像光学注重的并非是光源能够在目标平面上非成像光学注重的并非是光源能够在目标平面上成像及成像后的质量,其主要关注的是成像及成像后的质量,其主要关注的是光源的能量光源的能量利用率以及该能量在方位角及空间内的具体分布情利用率以及该能量在方位角及空间内的具体分布情况。况。u如图如图1 1 所示,在成像光学系统中,其主要传递的所示,在成像光学系统中,其主要传递的是物点的光强度及位置信息,而在非成像光学系统是物点的光强度及位置信息,而在
4、非成像光学系统中,则主要是对物点能量进行传输及重新组合与分中,则主要是对物点能量进行传输及重新组合与分配。配。对非成像光学系统的评估主要是对非成像光学系统的评估主要是能量收集率。能量收集率。能量的分配能量的分配如图如图2 2所示的非成像光学器件模型:所示的非成像光学器件模型:A A 所代表的平所代表的平面是入射孔径面积,面是入射孔径面积,AA所在的平面则是出射孔径所在的平面则是出射孔径面积。面积。假设该器件的出射孔径面积假设该器件的出射孔径面积AA能够让全部光线都能够让全部光线都透过这部分面积出射,透过这部分面积出射,入射光束面积与出射光束面入射光束面积与出射光束面积这两者之间的比值积这两者之
5、间的比值C C 就是能量收集率。就是能量收集率。能量收集率:能量收集率:C=A/A非成像光学系统非成像光学系统 与相差理论不同的是非成像光学不考虑或很少与相差理论不同的是非成像光学不考虑或很少考虑相差对系统性能的影响,而是光能利用率作为考虑相差对系统性能的影响,而是光能利用率作为系统的评价标准系统的评价标准。对于面光源,对于面光源,发光强度发光强度是有方向性的,因此亮是有方向性的,因此亮度也是有方向性的。亮度是度也是有方向性的。亮度是单位单位面积单位面积单位立体角立体角内内发射的发射的光通量光通量,也就是说,也就是说光通量光通量在两个集合空间扩在两个集合空间扩展的一种量度,即在面积上的扩展和展
6、的一种量度,即在面积上的扩展和立体角立体角内的扩内的扩展。展。相关光学术语相关光学术语亮度亮度光强光强Primary Illumination QuantitiesLm/sr=cdFlux通通量量Illuminance(照度照度)Intensity(光强光强)Luminance(亮度亮度or辉度辉度)/Area/Solid AngleLm/Area/Solid AngleCd/Scattering(散射)(散射)InOutSpecularSnellsLawInOutDiffuseLambertianInOutReal LifeMixture没有完美的光滑表面,散射设计在设计上往往占有重没有完美
7、的光滑表面,散射设计在设计上往往占有重大的功用!大的功用!接收面接收面Section 2 LightTools 基本介绍基本介绍uLightTools Optical Research Associates 1963 成立成立,1994 LightTools开发开发uNon-sequential Ray Tracing SoftWare 3D Object MonteCarlo Ray Trace Method何时需要用到何时需要用到LightTools?n每一个需要控制光线的行业里都可以应用!每一个需要控制光线的行业里都可以应用!完美的光学设计解决方案完美的光学设计解决方案LightTool
8、s 模块模块 组成组成n系统的建构系统的建构n布尔运算布尔运算n交互式交互式3D建模环境的革命性照明建模环境的革命性照明设计软件设计软件n包含宏语言和支持包含宏语言和支持COM的界面的界面1、Core Module:提供了广泛的光学模提供了广泛的光学模块选择方案块选择方案n照明系统的仿真照明系统的仿真nMonto Cartoon光源光源n接收器与计量器接收器与计量器2、Illumination Module:提供蒙地卡罗模拟法:提供蒙地卡罗模拟法光型設計(A字母)Target光型設計(圓變方)LED 照明用透鏡照明用透鏡n完整的优化系统:完整的优化系统:MeritreaFunctionn寻找最
9、佳情况,增进系统运算效率寻找最佳情况,增进系统运算效率3、Optimization Module:全新优化功能:全新优化功能4、Four Data Transfer Module:支持通用工业:支持通用工业CAD数据格式数据格式n标准格式:标准格式:STEP、SAT、IGESn特殊应用软件的格式:特殊应用软件的格式:CATIALighttools设计举例设计举例BEX Technologies(Jiangsu)Inc.,LtdK2 LED封装一次配光举例Luxeon K2原厂数据原厂数据BEX Technologies(Jiangsu)Inc.,Ltd光强分布为朗伯体光通量:17.6 lm 最
10、大光强5.04 cd Light tools光学设计目标光学设计目标设计目标设计目标 设计一款新的设计一款新的K2 LED的光学封装结构,使之具有高方向的光学封装结构,使之具有高方向性的光强分布性的光强分布设计要求设计要求总的光通量不能减小太多总的光通量不能减小太多能简易替换现有光学元件能简易替换现有光学元件BEX Technologies(Jiangsu)Inc.,Ltd初始设计初始设计BEX Technologies(Jiangsu)Inc.,Ltd在Solidworks建模,用SLM连接模块传递到Lighttools主光学元件初始结构主光学元件初始结构n结构:由复杂的曲线旋转得到的实体结
11、构:由复杂的曲线旋转得到的实体n材料:材料:PMMA(polymethyl methacrylate 聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯)n光学表面特性:定义为光学表面特性:定义为Fresnel losses(菲涅尔损耗菲涅尔损耗)n优化变量:共优化变量:共9个个n每条曲线有每条曲线有4个变量,共两条曲线个变量,共两条曲线n光学元件的边缘高度作为另一变量光学元件的边缘高度作为另一变量BEX Technologies(Jiangsu)Inc.,LtdSolidworks设计目标的优化设计目标的优化u采用采用LightTools内置的内置的“准直函数准直函数”(collimate)作为该例的评价函数
12、作为该例的评价函数u原理是将所有落在接受面上光线的余弦值一致原理是将所有落在接受面上光线的余弦值一致化;化;u利用蒙特卡罗(利用蒙特卡罗(Monte Carlo simulation)光线)光线追迹的结果;追迹的结果;u每次模拟每次模拟19,000根光线,得到根光线,得到38,000个评价参个评价参数(每根光线有数(每根光线有2个余弦值)。个余弦值)。BEX Technologies(Jiangsu)Inc.,Ltd优化前的光强分布优化前的光强分布初始结构中的每个变量都初始结构中的每个变量都是半随机选择的;是半随机选择的;最初,有将近最初,有将近6lm的光能的光能通过主光学元件从后面通过主光学
13、元件从后面出射;出射;总的光通量是总的光通量是17.9lm,是由于光元件阻止了部是由于光元件阻止了部分原来被反射吸收的光分原来被反射吸收的光线;线;最大光强最大光强3 cd;但光强分布明显还未达到但光强分布明显还未达到最优。最优。BEX Technologies(Jiangsu)Inc.,Ltd在Light Tools中模拟10,000,000条光线追迹后的光强分布图优化结果优化结果(一一)经过优化后经过优化后,从从LED出来的光出来的光得到了很好地准直;得到了很好地准直;17.5 lm的光通量全部向前的光通量全部向前发射,比原来的朗伯体只发射,比原来的朗伯体只少一点;少一点;轴向的光强是轴向
14、的光强是91.6 cd是原来朗伯体的是原来朗伯体的18倍,是优化初始结构的是优化初始结构的30倍。BEX Technologies(Jiangsu)Inc.,Ltd优化结果优化结果(二二)n最终优化的主光学元最终优化的主光学元件比初始结构高一点;件比初始结构高一点;n但曲线的形状还是和但曲线的形状还是和初始结构一样。初始结构一样。BEX Technologies(Jiangsu)Inc.,LtdConclusion 经过上述优化,经过上述优化,LED的一次光学设计的一次光学设计使其效率和光强分布方向性提高了很多,使其效率和光强分布方向性提高了很多,因此光学设计是非常重要。因此光学设计是非常重要
15、。现阶段很多光源生产商在现阶段很多光源生产商在LED设计中设计中应用的光学设计方式都是凭借自身经验或应用的光学设计方式都是凭借自身经验或者仿照国外已成熟技术,自我创新设计能者仿照国外已成熟技术,自我创新设计能力非常差,这是国内公司发展滞后的瓶颈。力非常差,这是国内公司发展滞后的瓶颈。BEX Technologies(Jiangsu)Inc.,LtdLightTools的特色的特色CADCAD用户图形接口(用户图形接口(GUIGUI),使用简单),使用简单能容易的修改建立的组件,包含布尔运算能容易的修改建立的组件,包含布尔运算可以读取及转成可以读取及转成IGESIGES、STEPSTEP及及SA
16、TSAT文件格式文件格式材质:折射率、吸收率、体散射、偏振材质:折射率、吸收率、体散射、偏振表面:穿透反射吸收、散射、涂膜、偏振、表面:穿透反射吸收、散射、涂膜、偏振、Fresnel LossFresnel LossPiontPiont and shoot and shoot 光线追迹功能光线追迹功能A、模型建构、模型建构各式光源各式光源各种观察方式(照度、强度、辉度和色彩,显色各种观察方式(照度、强度、辉度和色彩,显色指数)指数)速度快速度快B、照明分析、照明分析C、杰出的灵活性、杰出的灵活性结合指令列和结合指令列和GUIGUI其他软件搭配,其他软件搭配,MATLABMATLAB、VBVB、
17、VBAVBA、C+C+开始学习开始学习Lighttools软件软件光源光源光学光学系统系统接收器接收器Monte Carlo 计算计算照度图表照度图表照明分析照明分析的基本架构:的基本架构:确定你的计算机系统确定你的计算机系统项目项目操作系统的要求操作系统的要求处理器处理器Pentium III,Pentium IV,Pentium M,Xeon,AMD Atholn processors(1GB)系统系统Windows2000,XP,Win7内存内存最小最小512MB(建议(建议1GB)显示器显示器17寸以上的屏幕,分辨率寸以上的屏幕,分辨率12801024其他其他全部操作系统支持的绘图机和
18、列表机全部操作系统支持的绘图机和列表机练习一:认识与设定个人接口练习一:认识与设定个人接口u将将3D3D编辑窗口修改为白底黑字,单位:光通编辑窗口修改为白底黑字,单位:光通量,曲率模式:量,曲率模式:RadiusRadius1.1.将单位设为:将单位设为:mmmm,曲率模式改为,曲率模式改为RadiusRadius EditPreference EditPreference(首选项)(首选项)General Preference SystemGeneral Preference System Title Title:自行定义名称:自行定义名称 UnitUnit Radius Mode Radi
19、us Mode曲率曲率不进行焦距渲染不进行焦距渲染2、将接收面和光源的单位改为光通量、将接收面和光源的单位改为光通量n Default Recevier Source 单位改为单位改为Photometric Flux(光通量)(光通量)nSave:将环境储存成系统内定制:将环境储存成系统内定制鼠标右键点击鼠标右键点击Defulats Save General and Defaults(保存这些设置以供将来练习使用保存这些设置以供将来练习使用)光通量光通量辐通量辐通量3 3、将、将3D3D编辑窗口修改为白底黑字编辑窗口修改为白底黑字nView Preference3D_untitledColor
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