终稿光学LEDLightTools.docx
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终稿光学LEDLightTools
LightTools设计实例--汽车仪表盘导光按钮设计
LightTools自带增光片元件库和光源库，其增光片元件库包括3M公司所有的BEF和DBEF；其光源库包括4大LED公司（Agilent，Lumileds，Nichia，Osram）的近400种LED光源，对设计LED照明的LCDTV有极大的方便。
传统导光板的网点设计更是及其方便，既可以模拟二维印刷点排布，也可以模拟三维的微结构铺设，目前微结构网点包括五种形状：
球、棱镜、金字塔、圆锥、圆柱，极大的提高设计者的工作效率。
Cybernet中国使用LightTools对汽车仪表盘导光按钮的设计如下：
重点：
采用两颗小功率LED，实现导光按钮上的三个字母均匀发光。
设计步骤
1.LED光源模拟仿真
2.导光按钮的几何建模
3.几何模型的材料属性、光学属性设定
4.受光分析面,亮度计的设置
5.光线追迹，结果分析
6.根据分析结果修改按钮的几何模型，重复光线追迹过程，直至模拟仿真结果达到系统设计要求。
（采用LT的优化模块,可代替繁琐的模型更改,缩短项目开发周期）
针对LED光源仿真这里简单说明一下参数，光源模型中都有详尽的参数设定
以下介绍主要的参数（根据模拟目的不同,需要的参数也不同）
∙光束（lm）或者是辐射功率（mW）
∙光谱特性
∙配光分布
∙空间強度分布
根据波长范围进行光源定义
∙LightTools可以高效灵活的设定光源.
∙LightTools可以提出包含面,体积的面光源和体积光源的定做方案.
∙LightTools中RayData的设定,可以使用RadiantImaging测定的光源.
∙以放射量或测光能量为单位可以在光源中定义全部光能量.
∙用户定义的Aim领域和Aim锥体可以引出最佳性能.
∙为了配合这个高效的功能,计划在光源中定义连续的光谱.
LightTools在导光按钮的几何建模上更有强大的内置建模能力
通过SolidworksLink模块LightTools完全继承来自SolidWorks的特征树可为使用过Solidworks的工程师提供熟悉的设计环境。
双向式数据交流功能保证了在LightTools和Solidworks中的特征实时同步。
高精确度的仿真结果比较
下方图片是照明解析的结果,对应从按钮中文字的位置（受光面）发射出的光线的照度分布输出。
对应上图的矩形图,用不同的颜色表示能量的大小。
从如下照度分布图中我们可以分析此系统的仿真结果基本达到设计要求。
蒙特卡罗光线追迹
LED光源，按钮模型，受光面参数均设定好之后方可进行光学仿真，仿真采用蒙特卡罗光线追迹。
第一章介绍
照明作为光学领域中的一个重要部分，对于很多公司和它们的产品来说正变得越来越重要。
可是，直到现在对于照明系统设计和分析来说还没有可供广泛选择的专业软件，能够应用于照明系统的软件也很难使用。
正因为如此，目前照明系统的设计通常是建立系统的模型然后测试此模型。
LightTools的照明模块是为了满足照明行业的需要而编写的。
它通过计算机建模对照明系统进行精确的定量分析，从而帮助你更加快速有效的开发照明产品。
一.什么是LightTools照明模块？
LightTools照明模块是LightTools核心模块的可选的扩展模块。
它使用非序列性光线追迹并且基于元件进行建模，帮助你模拟完整的光学系统，包括系统的光源、光学元件和机械结构。
LightTools照明模块完全与LightTools核心模块相结合，并且添加了新的菜单和命令。
因为两个模块是相互结合的，一旦你熟悉了LightTools核心模块，那么在你了解了LightTools照明模块的一些特性后，将很快能够使用LightTools照明模块。
如果你是使用LightTools的新手，那么我们推荐你在学习
LightTools照明模块之前先熟悉LightTools核心模块，以此来熟悉LightTools的基本特性和操作。
LightTools照明模块使用非序列性光线追迹，这点和2D及3D设计视图是一致的，但是和ImagingPath模块不一样，ImagingPath模块只使用序列性光线追迹。
二．照明系统基础
大部分照明系统拥有以下这些特性，所有以下这些特性都可以在LightTools中被模拟。
●系统有一个或更多的照明光源，通常成一定角度并且不均匀地分布在三维空间中。
●我们需要在系统的若干位置分析照度。
●我们需要分析远场的发光强度。
●我么需要创建不同的曲面属性，包括菲涅尔损失和散射特性。
●我们需要进行非序列性光线追迹，对于照明计算可能更适宜使用蒙特卡洛类型随机光线追迹。
1）光源
任何一种照明系统至少要有一个光源，或者有几个光源。
LightTools照明模块允许你指定无限多个光源。
这些光源可以是点光源、三维面光源或者三维立体光源。
面光源可以有一个统一的或者用户定义的空间分布，并且可以有统一的、朗伯的（Lambertian）、或者用户定义的角度分布。
可以为光源的每个面单独指定这些分布。
立体光源可以有一个统一的或者自定义的空间分布，并且能够有一个统一的或者自定义的角度的空间分布。
使用LightTools照明模块建立光源模型的细节请参考LightSoruces部分。
2）接收器
所有的照明系统至少有一个面上的照度很重要（它可能是远场位置的面），并且可能有相应的若干个这样的接收器。
LightTools照明模块允许你指定无限多的接收器。
如何使用LightTools照明模块建立接收器请参考
LightTools说明书中的Receivers部分。
3）面属性
LightTools核心模块允许你为三维立体对象的每个面单独指定面属性。
这些属性包括光线传播模式（refract,TIR,reflect等等）以及表面处理（diffraction,scattering等等）。
对于光学元件，可以为元件的不同表面区域指定这些属性。
三．蒙特卡洛光线追迹
LightTools核心模块中的光线追迹是基于蒙特卡洛光线追迹。
这种方法可以对光源表面上任意点处的期望数目的光线（可能是几千条甚至几百万条）进行追迹，追迹的光线的方向可以是空间中指向任意角度的。
光线起始点和方向的选择是基于描述光源发射光线性质的统计函数。
每束光线发出的时候都拥有一定量的能量，能量的多少由光源的特性决定；这些能量随着光线穿过系统到达各种类型的表面而发生改变。
然后这些能量在指定的接收器上被收集用来做统计分析并且将分析结果用图表显示出来。
照明分析中使用的光线追迹是非序列性光线追迹。
这意味着光线遵循光学传播定律，但不仅仅是在事先指定顺序的一系列表面中传播，这种追迹描绘了系统的物理本质。
除了系统中的光学部分，光线同样受到系统中的机械结构影响，或者被吸收，或者被反射，或者被散射。
LightTools照明模块中的蒙特卡洛光线追迹在说明书中的
RunningtheSimulation部分有详细的解释。
3.1对于分光束的优化光线追迹
对于散射表面，你可以在Properties对话框中将表面属性设置为Reflect,Transmit或者两者兼具，如下图所示。
当你选择Reflect或者Transmit，LightTools只在光线到达表面后的相应的方向上进行追迹。
当你选择Both后，LightTools可以同时追迹反射和传输光线；可是，在发生多光束分离的情况下进行光线追迹时，LightTools可能不得不追迹那些数目庞大携带的能量很少并且不是很重要的光线。
在这种系统中，通过使用ProbabilisticRaySplit选项你可以极大地提高光线追迹的效率，这个选项在所有的散射模型中都是可用的。
当ProbabilisticRaySplit选项处于开启状态时（默认设置），LightTools任意选择并且追迹两束光线中的一束，使用基于随机理论的方法决定在每个光线分离处是追迹反射光线还是追迹继续向前传输的光线。
随机光线追迹是以这种方式进行追迹的：
对于要追迹的数量庞大的光线，反射光线和传输光线都能被观测到一个合适的功率平衡。
在一个发生多光束分离的系统中，这将使光线追迹的速度变得更快，因为更少的光路被追迹。
结果将很快得到，因为所有可能发生分离的光路按照它们携带的能量多少进行追迹。
当ProbabilisticRaySplit关闭时，LightT
ools将追迹所有的分光束，或者只追迹携带能量最多的分光束。
计算随机分离光束使用的方法如下所述：
●对于Reflect/Transmit,JonesMatrix,Mueller
Matrix,IdealLinearPolarizerandRetarder,andLambertian,CosNth,Gaussian,EllipticalGaussia
n,UserDefinedScattererRayAmplitudes:
如果传输、
反射和吸收为T、R和A，那么T+R+A=1，然后分离光线以T/（R+T）或者R/（R+T）的概率进行传输或者反射，用（R+T）这个因子计算光线能量以补偿吸收损耗。
●对于MixedScatterer,概率和以上所述的相似，除了光线可能进入四个方向中的一个（反射散射，镜面附近的反射，传播散射，或者镜面附近的传播）。
●对于FresnelLoss,QWAR和UserCoatingsRayAmplit
ude:
传输（T）和反射（R）的计算基于菲涅尔方程并
依据传播和反射方向的概率。
所有的光线都有相同的
能量衡量方法。
下面的这个例子阐明了使用随机分离光线可以使效率增加。
对于这个简单的背光源系统，一个对2000条光线仿真的追迹产生了如下的结果。
四.照明分析
LightTools照明模块中可以进行三种类型的照明分析：
一个表面上的辐照度（光通量/表面积），发光强度（光通量/立体角），光亮度。
对于这些量中的每一个量，都存在着若干种可用的图像输出来描述这个量，这种图形称作图表视图，可能包括：
●2维线条图（2Dlineplot）
●颜色或者灰度刻度图（Rastercolororgrayscaleplots）
●发光强度图（Intensityplots）
●Iso发光等高线图（Iso-irradiancecontourplots）
●三维表面图Iso-irradiancecontourplots
●在接收器表面的蒙特卡洛点列图显示（Iso-irradiancecontourplots）
●环绕能量图（Encircledenergyplots）
这些在说明书中的ChartViews部分中有详细的说明。
五．照明系统设计实例
作为展示LightTools照明模块强大功能的实例，我们将分析一个非常简单的模型，这个模型包括一个圆柱形的光源、一个椭圆反光碗、一个长方体的积分棒。
我们将考虑积分棒前表面和后表面（输入端和输出端）的光照度分布，以此来分析积分棒的光积分效率。
通常，以下这些是LightTools照明分析的步骤：
1.建立完整的光-机系统的LightTools模型。
这包括定义所有的三维光学元件和机械元件的表面属性。
2.定义光源。
对于一个复杂的三维光源，这可能需要几个光源结合在一起建立需要的光源形状。
3.指定接收器表面。
4.进行仿真设置，这决定着仿真的方向。
这必须在仿真开始之前进行。
5.指定要追迹光线的数目和光线的间隔（是为了图形刷新而使用的）。
6.（可选）选择在分析中使用的蒙特卡洛光线是否显示在LightTools模型中或者在控制台窗口中是否打印光线追迹结果（这些是非常有用的选项，它们可以影响仿真的执行）。
7.选择期望的图形输出（这可以在完成仿真之前或者之后做）。
8.进行分析。
5.1第一步-建立LightTools模型
我们建立一个椭圆反光碗，在反光碗前面建立一个长方体积分棒。
下图显示了这个模型，图中对从反光碗焦点到通过积分棒的栅格NSS光线进行追迹。
椭球面的内表面被指定为反射镜，积分棒的所有表面都被指定为TIR（全反射）类型的表面。
模型中的非序列性光线追迹使用标准的LightTools方法，这对于检验你的模型结构来说很有用，但是在照明分析的蒙特卡洛光线追迹的设置中不包括这些。
5.2第2步-定义光源
在这个例子中，我们只使用一个光源，一个位于椭球反光碗内焦点处并且与椭球的轴垂直的圆柱面光源。
整个圆柱面以及它的末端都将发出光线；一些光线将到达反光碗并且反射进入积分棒，而另外一些光线将直接进入积分棒而不到达椭球面。
下图显示了圆柱光源的方位。
5.3指定接收器表面
我们将指定两个接收器，位于积分棒的两端。
这可以使我们对积分棒输入面和输出面的光照度均匀性进行对比。
选择期望的表面，右键点击，然后再弹出的快捷菜单中选择添加接收器。
我们需要这样做两次，以便在积分棒的两端添加接收器（先添加哪个接收器无关紧要，只要我们能将两个接收器区分开就行）。
在LightTools模型中添加的接收器如下图所示。
注意添加的接收器会自动给出名称，例如Receiver_9和Receiver_14。
如果你希望的话这些名称可以被改变；在这种情况下，你可以将接收器的名称改为“输入”和“输出”以便区分开两个接收器。
5.4第四步-初始化仿真设置
通过选择Illumination>SetupSimulation菜单选项就可以完成这一步。
在LightTools照明模块中，仿真是从光源追迹到接收器。
在将来的版本中，附加的功能可以从接收器追迹到光源进行仿真。
进行仿真的设置这一步选择使用哪一种类型的仿真。
5.5第五步-指定进行追迹的光线的数目
这一步是指定在照明仿真中要追迹的蒙特卡洛光线的数目。
这一步将决定仿真的精确度，因为我们追迹的光线越多，得到的结果就越精确。
当然，追迹的光线越多，需要的时间就越多，因此在时间和精确度上我们要权衡一下。
这是使用蒙特卡洛方法进行照明分析的一般特性。
通过选择Illumination>SimulationInfo...菜单项我们可以指定被追迹的蒙特卡洛光线的数目,在结果对话框中输入希望的光线数目然后点击应用。
“TotalRaystoTrace”的值是在仿真期间被追迹的光线总数。
默认情况下，每个光源发出相同数目的光线。
每个光源发出的光线中被追迹的光线的相对数目可以通过使用光源权重因子来进行控制。
注意这是从光源发出的光线的数目，而不是到达接收器的光线的数目。
我们将使用的值为10000。
“UpdateInfo”部分是图像输出刷新重画的频率。
一个较小的数值将使我们能够监视仿真的进度，但是要花费更长的时间，因为图像更加频繁地刷新。
我们将使用1000这个值。
5.6第六步-选择是否显示蒙特卡洛光线
这是可选的步骤。
使用的蒙特卡洛光线构成了照明分析，它在LightTools模型中可以被显示出来。
为了确定光线到达了你期望到达的位置，你可能希望开启这项功能以显示几百条光线。
为了做到这些，选择Illumination
>SimulationInfo菜单项并且选中“PreviewRays”复选框。
对于使用更多的光线进行的更加全面的仿真，你可能希望关闭这种显示以避免使3Ddesign视图变得模糊并且消耗额外的内存。
5.7第七步-指定希望的图表输出类型
在LightTools照明模块中有若干种图表输出类型。
我们最初将选择显示一个照度图表。
这是一个2维图表，它显示了每个接收器上的照度值，同时显示说明不同颜色代表的数值意义的图例。
通过选择Illumination>IlluminanceDisplay>RasterChart菜单选项就可以选择这种表格。
每个接收器上的照明数据输出将出现在单独的表格中，因此只需要选择这种类型的表格一次。
5.8第八步-开始分析
我们现在即将开始进行精确的照明分析。
选择Illumination
>StartSimulation菜单项可以做到这些，也可以通过点击
工具图标。
在仿真运行的时候，将弹出一个对话框显示运行的进度。
注意在仿真运行期间通过点击一个单独的InterruptOperation对话框中的中断按钮就可以中断仿真的运行。
当指定数目的光线被追迹完，仿真也就完成了。
通过仿真得到的光栅图表（rasterchart）如下图所示。
上图显示了两种图表，下面的两张是在输入端得到的数据，或者说是在积分棒的输入端；上面的两张图表是在输出端得到的数据，或者说是在积分棒的输出端。
我们可以看到输入端的光照度显然不均匀，并且显示出了圆柱形光源的形状。
在输出端，光照度显然更加均匀，当然，这是使用积分棒要达到的目的。
在上图的光栅右端是左边图表对应的衡量照度水平的柱状图。
下面所示的图显示的是在两个方向通过接收器的照度横截面的线条图。
通过点击Illumination>IlluminanceDisplay>LineChart可以得到此图。
我们可以在仿真之前或者仿真完成后做这些，因为当仿真结束后储存的照度数据在不同的图表中都可以被看到。
对应于输入面的图表清楚地显示了圆柱形光源的像。
而对应于输出面的图显示了更加均匀的照度分配。
如果使用更多的光线，那么将得到更加好的均匀性。
注意对于每个接收器，相应的图表中Y轴的刻度的变化范围都是从0到0.075，这样可以直接比较输入和输出端。
菜单选项Illumination>IlluminanceDisplay>SurfaceChart可以显示一个三维表面图表，如下图所示。
很明显，我们再次看到输出面的照度均匀性相对于输入面而言提高了。
通过手动改变接收器的网状分级（meshbinning），你可以改进数据的表达方式（请参考UsingMeshDimensionstoOptimizeOutput）。
多种类型的图表都显示在了这里，没有在这里显示的图表我们将在说明书的ChartViews部分进行详细的讨论。
六.照明术语
在照明领域中对于相似的概念常常有很多不同类型的单位和术语来对它们进行描述。
通常，照明计算可以从辐射度学（单位与瓦有联系）和光度学（单位与流明有关）两方面来进行。
光度学的计算考虑到人眼的光谱灵敏度（视觉响应曲线），而辐射度学计算却不考虑这些。
6.1定义
下面的表格给出了在照明计算中标准量的定义。
注意这些量相似，但是在光度学和辐射度学中的名字和单位都不一样。
6.2单位
LightTools照明模块中允许为每个光源或者接收器单独选择辐射度学的单位或者光度学的单位。
光源的单位可以在它们的information对话框中指定。
接收器的单位可以在Properties对话框的Properties标签中指定。
LightTools照明模块中可以为所有的光源指定它们的辐射通量或者光通量，对应的单位分别为瓦和流明。
光源远场的强度可以用强度或者发光强度来衡量，单位为瓦/球面度或者坎德拉。
接收器表面上的照明可以用单位面积上的功率或者光照度来衡量，单位为瓦/面积或者流明/面积。
面积的单位取决于系统的单位，可以是
等等。
即使辐射度学的单位很合适，但我们在一个表面上还是经常使用光度学上的光照度来衡量表面的光分布。
这是因为光照度是经常被使用的量（即使它经常被错误地使用）。
注意能量和功率是联系在一起的。
能量是经过一定时间累积的功率。
可是，时间不是LightTools要考虑的部分；你可以认为LightTools中的输出是在某个点处的一幅“快照”。
因此，功率是LightTools中的实际输出，而不是能量。
可是在LightTools照明模块中的一些地方我们可能会提到能量，例如在环绕能量分析中。
我们这样做是因为这些名字被普遍使用，即使被错误的使用。
你应该意识到这点，输出和计算使用的是功率而不是能量。
这点从单位中就可以清楚地判断出来（例如，单位为瓦特而不是焦耳，是流明而不是流明×秒）。
利用量測空間發光分佈來準確預測照明系統
WilliamJ.Cassarly，DavidR.Jenkins，andHologerMönch
1）OpticalResearchAssociates,3280E.FoothillBlvd,PasadenaCA
2）RadiantImaging,Inc.26425NEAllenSt,Suite203,Duvall,WA
3）PhilipsResearchLaboratories,Weisshausstr.2,52066Aachen,Germany
摘要
光源模組是一個重要的元件，它能使軟體模擬去預期照明系統的輸出。
最佳的方式是使用MonteCarlo的照明模擬方法並利用量測整個發光空間的視野角度來產生光線。
這種測量的典型方法是使用照相機拍攝多數不連續的視野角度。
光線在測量的角度間做角度的設定是重要的關鍵，尤其是當光源在測量時包含了光學元件（如反射鏡）。
關鍵字:
照明、自動化、最佳化、光學模組、光線追跡、光學設計
1.概述
文獻[1]提供了從照相機擷取多視角的光源模組影像，預測光源在靠近橢圓反射鏡的第一焦點時在第二焦點的分佈當光源在。
一個有趣的問題是，若光源及反射鏡一起被測量而且結果用來預測第二焦點的分佈會如何？
為了回答這個問題，我們比較了三個獨立的測量裝置：
1〉直接測量已知孔徑區域的通量，2〉掃瞄反射鏡/燈泡的組合來合成光源模組，3〉掃瞄燈泡來合成光源模組後加一反射鏡做光線追跡。
第二項是使用測角器對其中心作兩個不同方向的旋轉來得到結果。
三個不同的測量顯示在圖1.
對積分球直接量測加工的燈具從多視角全裸電子管的描光在模組
對照相機的測量反射器照相機的測量
圖1:
三種不同的量測在這篇paper上
當我們發現第一和二項相當吻合；無論如何，照相機測量最佳的旋轉中心是虛像的光源同時發生。
其他旋轉中心也能被使用，但對其他的例子，照相機影像的數目需要增加當影像不會重疊。
第一和三項也能相配，但準確的相配由於相當的靠近以及反射器的形狀何表面性質已知。
2.背景
用MonteCarlo方法進行模擬的照明軟體可以利用四種方式來建立光源。
描述每條光線的位置、方向、強度及波長來建立光源。
使用照明軟體計算光線通過光學元件結果並預測照度、強度、亮度及比色的分佈情形。
四種方法分別是點光源、切趾光源延伸、影像產生法及幾何發光法。
四種方法簡述如下：
點光源以假設光源是沒有限制範圍但強度分佈是由模型而來。
點光源的主要優點是可以很快的從燈具商那得到，而主要的缺點是為涵蓋到有限範圍的光源。
切趾延伸發光有兩個部分。
第一，光源在體積或是表面上表達。
在光線從體積或是表面上產生後，點光源的缺陷大大的被改善。
典型的光線在體積上產生，能量密度是定值而且角度分佈是一致的。
光線在表面上產生出一致的空間密度及Lambertian強度分佈。
第二階段是用切趾法來設定這些已知的強度分佈及單一視角的空間亮度。
雖然切趾光線的演算複雜，但空間切趾法及角度切趾法可預設成各自獨立的。
這個空間及角度分佈的獨立假設並非都成立。
影像產生法是利用切趾延伸發光疊加來近似光源。
光線產生是光源使用空間流明值的分佈，當光源在空間照度分佈能變化如光源視角的方程式。
空間照明分佈以一個簡單全視角的能被包含使用一個CCD照相擷取在一個測角器對光源旋轉。
正確的接近系統依靠空間照明分佈改變從視角到
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