lighttools 基本操作(第1-2节课)PPT精品文档

1、.1LightTools 软件应用软件应用主讲主讲:许孝芳许孝芳.2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.3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

2、年，年，Hinterbgerer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，

3、等人提出非成像光学概念，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。 .4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

4、及位置信息，而在非成像光学系统中，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。.5.6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

5、两者之间的比值积这两者之间的比值C C 就是能量收集率。就是能量收集率。.7能量收集率：能量收集率：C= A/ A.8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

6、间扩展的一种量度，即在面积上的扩展和展的一种量度，即在面积上的扩展和立体角立体角内的扩内的扩展。展。 .9相关光学术语相关光学术语亮度亮度光强光强.10Primary 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/.11Scattering（散射）（散射）InOutSpecularSnellsLawInOutDiffuseLambertianInOutReal LifeMixtu

7、re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.12Section 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.13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

8、可以应用！.14完美的光学设计解决方案完美的光学设计解决方案.15.16LightTools 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.17.18n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.19光型設計（A字母）Target光型設計（圓

9、變方）LED 照明用透鏡照明用透鏡.20n完整的优化系统：完整的优化系统：MeritreaFunctionn寻找最佳情况，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.21.224、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：CATIA.23Lighttools设计举例设计举例BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,LtdK2 LED封装一次配光举例.24L

10、uxeon 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 最大光强5.04 cd .25Light 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.26初始设计初始设计BEX Technologies(Jiangsu)

11、Inc.,Ltd在Solidworks建模，用SLM连接模块传递到Lighttools.27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)

12、 Inc.,LtdSolidworks.28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.2

13、9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.30优化结果优化结果(一一)经过优化后经过优

14、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.31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.,Ltd.

15、32Conclusion 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。 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.,Ltd.33LightTools的特色的特色C

16、ADCAD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SATSAT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 LossPiont and shoot Piont and shoot 光线追迹功能光线追迹功能A、模型建构、模型建构.34各式光源各式光源各种观察方式（照度、强度、辉度和色彩

17、，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、VBAVBA、C+C+.35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：.36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 A

18、tholn 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列表机全部操作系统支持的绘图机和列表机.37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 Ed

19、itPreference（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 Radius Mode.38曲率曲率不进行焦距渲染不进行焦距渲染.392、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 S

20、ave 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).40光通量光通量辐通量辐通量.413 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_untitledColorsColor Scheme Black on White(白底黑字白底黑字)n最后最后Save View preference.42.43另外在另外在View preference还可以设置还可以设置n贴齐网格（贴齐网格（ Grid Snap to Grid）将）将X Value 和和Y Value设为低于设为低于0.1 m

21、mn可见性（可见性（Visibility）清除清除“显示注释显示注释”复选框复选框(Show Annotation).44Snap to Grid.45提高设计的提高设计的精确性精确性.46一般不用显一般不用显示。示。.47Section 3 几何模型的建立几何模型的建立n开始一个新模型开始一个新模型nLighttools 的操作接口的操作接口n3D设计窗口详解设计窗口详解n客制化自己的操作环境客制化自己的操作环境善用鼠标善用鼠标右键右键.48Lighttools 控制台窗口（控制台窗口（Console）.49n1、开始一个新模型、开始一个新模型.50.512、打开一个以前保存的模型、打开一个

22、以前保存的模型.52菜单栏菜单栏系统导系统导航栏航栏首选项首选项导航栏导航栏窗口导窗口导航栏航栏输出窗口输出窗口三维设三维设计视图计视图.53.54The Toolbar .55The Command Panel指令按钮指令按钮n第一层：类别选单（共第一层：类别选单（共6种）种）n第二层：种类选单第二层：种类选单n第三层：指令选单第三层：指令选单.56二维几何模型的建立二维几何模型的建立.57三维几何模型三维几何模型的建立的建立.58Section 4 建构复杂的对象建构复杂的对象n通过通过Lighttools所建构的所建构的3D组件，我们称组件，我们称为为“Primitive”（原型）（原型

23、）n复杂形状的对象可以藉由以下方式获得：复杂形状的对象可以藉由以下方式获得： 由多个原型所组成由多个原型所组成 读取读取CAD软件所建构好的模型软件所建构好的模型n可以藉由类别选单中的可以藉由类别选单中的Edit（编辑）来进（编辑）来进行修改。行修改。.59画画Optical Elements的基本原结构的基本原结构n方块（方块（cube）n球（球（Sphere）n椭球（椭球（Ellipse）n圆柱（圆柱（Cylinder） n超环面（超环面（toroid）n椭圆柱（椭圆柱（EFiber）n自由面（自由面（Skinned）.60输入一个凸透镜输入一个凸透镜n方法一：方法一：.61Primiti

24、ves and Entities .62Properties属性对话框属性对话框n第一步选中对象第一步选中对象n第二步可以通过下面三种方式打开对话框第二步可以通过下面三种方式打开对话框1、Edit Properties；2、From the toolbar Properties button ；3、By right-clicking, and selecting，Properties on the shortcut menu. .63LightTools中所谓的【对象】中所谓的【对象】nLighttools 以实体模型为架构以实体模型为架构每一个物理实体都是一个完整的固体模型每一个物理实体都是

25、一个完整的固体模型每一个对象都有表面，表面不会独立存在每一个对象都有表面，表面不会独立存在n所建构的几何形状称为所建构的几何形状称为“primitives”（原（原型）型）原型多为球、方块、柱状等原型多为球、方块、柱状等可以透过编辑成复杂的几何形状可以透过编辑成复杂的几何形状n一个对象是透过多个原型结构做组成的。一个对象是透过多个原型结构做组成的。.64利用对话窗口修改属性利用对话窗口修改属性n直接点选直接点选3D对象或是树状列上的对象名称，对象或是树状列上的对象名称，呼叫呼叫properties属性属性 窗口直接修改对象参窗口直接修改对象参数。数。n对象层可以修改坐标方位等对象层可以修改坐标

26、方位等nPrimitive层可以修改外形尺寸层可以修改外形尺寸.65Primitives and Entities .66Properties属性对话框属性对话框n第一步选中对象第一步选中对象n第二步可以通过下面三种方式打开对话框第二步可以通过下面三种方式打开对话框1、Edit Properties；2、From the toolbar Properties button ；3、By right-clicking, and selecting，Properties on the shortcut menu. .67Dialog Boxes You can also create a chart

27、 from 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. .68Dialog Boxes.69用滑块用滑块sliders来选择属性来选择属性 .70Modifying Tables 插入行插入行.71插入行插入行.72If you select

28、Insert Rows, you are prompted to specify the number of rows to insert. .73打开一个新窗口打开一个新窗口.74打开一个新窗口打开一个新窗口.75修改参数：修改参数：1、几何尺寸、几何尺寸.762、位置（坐标）、位置（坐标）起始点坐标起始点坐标.77方法二：方法二：The Command Line命令命令栏栏指定一个点：指定一个点：XYZ -2.4,1.2,5.6 .78【例【例1】用点输入法来建一】用点输入法来建一个长、宽、高均为个长、宽、高均为10 mm，起始点位于（起始点位于（0，0, 0）的方）的方块。块。.79输出

29、三个坐标输出三个坐标.80三维视图三维视图.81【例【例2】构建一个长】构建一个长4 mm，宽，宽2 mm，高，高3 mm起始点位于（起始点位于（1，-1, 0）的方块。）的方块。.82坐标点可以通过绝对坐标值或相对坐标值的坐标点可以通过绝对坐标值或相对坐标值的方式来输入方式来输入 XYZ LXYZ 绝对坐标绝对坐标例：例：xyz 0,0,0 点位置在全局坐标的原点点位置在全局坐标的原点DXYZ LDXYZ 相对坐标相对坐标例；例；xyz 1,2,-3 相对前一点往相对前一点往x移移1，往，往y移移2，往，往z移移-3 LA 2,45 长长2 ，角度，角度45 ； 重复上一个坐标重复上一个坐标

30、.83点输入法点输入法建建构复杂物体构复杂物体.84Extrude 的建立步骤的建立步骤n步骤步骤1：定义外形：定义外形： 点点1，点，点2点点nn步骤步骤2:定义厚度定义厚度: 选取选取另一窗口另一窗口点点n+1和点和点n+2n步骤步骤3:输入输入“；”或双击结束整个步骤或双击结束整个步骤.85.86.87Revolved 的建立步骤的建立步骤步骤步骤1：定义外形：定义外形：步骤步骤2：鼠标连续点：鼠标连续点2次或输入次或输入“;”结束外形结束外形步骤步骤3:定义旋转轴，输入定义旋转轴，输入2个点个点步骤步骤4：决定旋转的角度，可在指令栏输入角：决定旋转的角度，可在指令栏输入角度。度。.88

31、.89.90练习三练习三n依次输入如下坐标点。（也依次输入如下坐标点。（也可在可在Excel表输入后表输入后copy到到命令栏）命令栏）n注意：需在注意：需在Y-Z平面作图平面作图.91点输入点输入.92.93二、坐标系统二、坐标系统nLighttools 有全局（有全局（Global）与用户坐标）与用户坐标（UCS）两种坐标系统）两种坐标系统n 两个坐标系统皆遵循右手定则两个坐标系统皆遵循右手定则旋转坐标采用光学旋转坐标（旋转坐标采用光学旋转坐标（Euler angle）顺序很重要！对多方向旋转而言，顺序很重要！对多方向旋转而言，Alpha先先转，接着转，接着Beta沿着新轴再转，最后沿着新

32、轴再转，最后Gamma再沿着更新轴再转。再沿着更新轴再转。.94.95用户坐标系统用户坐标系统表面坐标系统（表面坐标系统（UCS）n每一个表面有属于自每一个表面有属于自己的坐标区域己的坐标区域nZ轴为沿物体外的法轴为沿物体外的法线方向线方向n可以使用可以使用UCS来观察来观察表面坐标位置表面坐标位置三点绘制三点绘制UCS坐标坐标.96如何定义如何定义UCSn可以在可以在View 面板上选取面板上选取UCS Axes面板面板nUCS可以放置在表面或光在线来进行校正可以放置在表面或光在线来进行校正与定位。与定位。 _UCS坐标与全局坐标的相对关系，在进行坐标与全局坐标的相对关系，在进行草图设计时是

33、非常方便的。草图设计时是非常方便的。UCS视图包括：前视图、右视图、上视图视图包括：前视图、右视图、上视图.97.98.99如何选取多个对象如何选取多个对象1、在系统导览中对对象编辑、在系统导览中对对象编辑 利用利用Shift 和和Ctrl 健来选取物体健来选取物体2、利用功能面板选取物体、利用功能面板选取物体.100如何编辑对象如何编辑对象n利用编辑功能面板利用编辑功能面板 Move、Copy、Rotate、Align、Array等等n利用文字选单编辑利用文字选单编辑 选择一个或多个对象后，按下鼠标右键，选择一个或多个对象后，按下鼠标右键，即出现文字选单提供编辑选项即出现文字选单提供编辑选项

34、Edit Selected All可以方便改变多个可以方便改变多个对象的特性对象的特性.101群组功能面板群组功能面板n群组功能可以让每一个独立群组功能可以让每一个独立却有关系的对象群组起来。却有关系的对象群组起来。.102Boolean operations布尔运算布尔运算nBoolean operations可以将可以将Lighttools所所建立的对象群进行处理，以产生较复杂的建立的对象群进行处理，以产生较复杂的对象。对象。n布尔运算种类布尔运算种类nUnion、Intersect、Subtract、Trim、Unbool.103Command Palette for Boolean O

35、perations (布尔运算布尔运算).104Union （联集）（联集）.105Intersect （交集）（交集）.106Subtract （差集）（差集） .107Trim （裁剪）（裁剪）.108Unbool nUnbool 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 over multiple levels of Boolean ope

36、rations forming complex structures. Select the Boolean object and click on Unbool to undo the last Boolean operation performed on the object. nThe command for the unbool operation is UnBoolean. .109对单透镜的编辑对单透镜的编辑nStretch、Bend、Fold、Cement、BreaknImmerse、Remove.110胶合（胶合（Cement）nCement常用在两个表面间无空气存在的情常用在两个表面间无空气存在的情况。况。n胶合时若两表面曲率不同，在第二选取的胶合时若两表面曲率不同，在第二选取的表面将会自动与第一选取表面相同。表面将会自动与第一选取表面相同。n注意：两个表面特性不同时，会产生不同注意：两个表面特性不同时，会产生不同方向的光线往返会有不同结果出现。方向的光线往返会有不同结果出现。.111Break 破