用LightTools设计导光管课件.ppt

LightTools设计范例入门,1、设计导光管2、广角手电筒3、背光源底板,1、导光管设计,观察模型、改变视角、光线模拟,预览,导光管（Light Pipe）：把光线透射到需要照明的区域。掌握：1.3D模型的掌握和观察角度。2.使用扇型光线追踪并调节反光镜角度。3.使用光源和接收器进行简单的蒙特卡罗模拟。4.使用光学性质修改表面参数并进行照明模拟。,打开模型,运行LightTool.exe使用菜单命令：FileOpen打开文件：TutorialTD_Lpipe_start.1.lts,基础操作：旋转、缩放、平移（不改变任何性质，坐标轴跟着变化。）选择：整体或者某个表面；选中表面：被选颜色不同，出现标签，在系统导航窗口高亮显示；选择底面（背面）：被选表面颜色没有变化，必须Rotate。,观察模式设置,点击YZ命令，再点击Fit命令。选择命令把外观模式换为框架模式：View Render Mode Wireframe。,简单光线追踪,LightTools的基本操作是光线追踪。不同之处在于光线的数量、方向等。使用Point And Shoot进行光线追踪。分为面光线和栅格光线两类。,添加光线,点击位置(X=0,Y=0,Z=-0.5)。点击位置(0,1,1)和(0,-1,1),修改结构,选中任意一个表面。选择Trim命令。点击点（0，0，6.5），再点击右下角形成一条34的角。,修改参数。,高级模拟,选择进行模拟的光线数目，以及是否即时显示。LightTools模型非常复杂，为了降低界面复杂程度，系统允许定义不同的层（Layer）在系统导航窗口中，右击任一对象，选择Properties（属性），在Display标签下选择。,3D模型虽然不可见，但仍然对光线起作用。为了让光线对模型“视而不见”，可以在Ray Trace标签下选择取消“Ray Traceable”。,显示光源,一、选择菜单栏命令：Edit-Preference;二、选择：View Preference-3D；三、选择：Layer标签；四、选择Layer2为可视状态（Visible）；,光源设置,光源类型：点光源、面光源、柱光源和射线数据光源（Ray Data Source）；形状：点，球面，圆柱型，长方体，环形；定义光源所在位置一、自动定义：LightTools搜索创建的模型，找到光源所在的介质（空气、塑料、胶体）。二、沉浸定义：直接定义光源所在的材质。LightTools无需搜索模型，提高运行速度；为了实现这一功能，必须先把光源“沉浸”在某种介质中。使用命令如图所示。或者确保光线和其他元素没有交集。三、半自动（默认模式）：使用几条光线（少于十条），把光线所在区域定义为共同光源区域，而自动定义模式则是对每一条光线的起点都进行定义。,接收器设置,接收器作用：计量光线数量用于分析计算。一般是一个平面，附在某个模型的表面（远场接收器除外）。接收器一般把光线分配在网格结构中。这表示辐射精度（Radiometric accuracy）和空间精确度（Spartial accuracy）是互相矛盾的。本例接收器是附着在“空气透镜”上，即允许接收器附着在实体模型或者虚拟模型上。,Monte Carlo初步模拟,Illumination Setup Simulation（Done）Monte Carlo不使用单个点作为光源，也没有等角度分布的光线，方向完全随机；使用少量光线进行模拟Illumination Simulation Info，将光线数量设置为200，并将Preview Ray选中。选择Start Simulation（！）,照度分析,Illumination Illuminance Display Scatter Chart.Scatter Chart：光线空间分布图表。（Chart中有多少条光线？）Chart的坐标：X轴和Y轴。使用命令，再点击Receiver，,Monte Carlo高度模拟,把光线数目修改为10000条。取消Preview Rays选项（对话框去掉）。开始模拟（这个时候看不见线条）。观察Scatter Chart。观察虚拟颜色光栅。Illumination Illuminance Display Raster Chart,光栅图谱,Raster Chart：表示了不同能量密度的空间分布区域。右边表示不同颜色所表示的能量密度。中间比较“热”，能量密度高。旁边温度“低”，能量密度低。,进一步分析,右击Raster Chart。接收器被划分为915个格子。,将X从9改为5，Y从15改为9。减少格子数目可以减少误差。,修改光学性质,例：Paint in White旋转3D导光管模型，选中反射面；右击，选择光学性质（Optical Properties）；如图选择后，重新模拟，观察Chart。结果：光线分布更加均匀。,LightTools使用小结1,一、LightTools使用3D模型模拟光学系统，包括各种透镜、反射镜等；二、LightTools进行光线模拟必须存在光源和接收器；三、由程序随机设立若干条光线，由几何光学定律计算每条光线的轨迹，并对进入接收面的光线进行统计计算。,二、设计广角手电筒,一、初步设计二、添加具体光源和接收器,一、广角手电筒,广角手电筒发出的光线具有较强的会聚性。可以用一个点光源和一个抛物面反射镜构成。设计目标：手电筒在300mm处发出的光斑小于100mm。,创建抛物面反射镜,运行程序，新建3D模型，选择单窗口显示。使用面板添加。在第一个对话框中输入12，第二个对话框输入1，第三个对话框输入60。,反射镜模型,修改反射面,选中反射面，进入“属性”面板；在树型框架中，选择“透镜前表面”（LensFrontSurface）。,修改背面,指向光线检查,调节反光镜位置，使得右边存在约300mm的空间用于放置指向光线（Point And Shoot）；选择平行指向光线：1、点击位置Y0，Z200；,2、点击位置Y45，Z200；,3、右击鼠标，选择Snap90degree；,光线会聚,4、点击光线指向反射镜。,问题,使用Grid平行光线如何让光线从同样的地方出发照射到反射镜后会聚？最后删除光线,放置点光源,使用工具面板放置点光源：1、选择上面的面板后用鼠标点击位置（0，0，0）；2、选择上面的面板后在命令行中输入：PTSource xyz 0，0，0,点击,显示,输入命令并按空格键（或回车）,创建成功的光源,创建虚拟平面,虚拟平面边长150mm，距离光源300mm处，用于安放接收器。使用命令：在命令行输入 xyz 0,0,300以及空格。右击鼠标，选择Snap Z-axis。点击左边距离起点约75mm处。该矢量是虚拟平面的方向，而大小是虚拟平面边长的一半。,设置平面,通过属性对话框将虚拟平面的变成设置为150mm。把Clip Rays to Boundary选中。,安装接收器,用鼠标右击虚拟平面，在弹出菜单选择“添加接收器”（Add Receiver）。放大观察，接收器用一个直角三角形表示。,表面接收器和远场接收器,表面接收器：E；远场接收器：I,初步模拟,设置模拟选项（在导光管一节中未曾使用，而且设计窗口中至少存在一个光源和一个接收面时才能使用）：Illumination Setup Simulation；设置光线数量为100：Illumination Simulation Info）并把预览选项选中（Preview Rays）。开始模拟,初步模拟效果,正式模式,把模拟光线数目改为10000，并取消预览光线选项。开始模拟观察分散模式表。,数据分析,在系统导航窗口中选择Receiver的Mesh，右击打开属性对话框。属性中，格子设置为1717。误差估计为5，总光通量为0.85流明。,三维图表分析,选中想要分析的接收器（两种方法）；菜单命令：Illumination Illuminance Display LumViewer（注意：必须准确选中接收器才能执行该命令，不能只选中接收器所在的虚拟平面）旋转观察立体图表。,立体图表操作,一、按住鼠标右键，拖动鼠标旋转视图；二、鼠标双击不放，拖动鼠标观察坐标轴的移动；三、右击图表任何部分，观察属性对话框中的参数设置。,二、添加详细灯具模型,删除理想点光源；从数据库中调用光源：File Restore Library在Tutorial文件夹中选择文件：KPR103.1.ent,按照提示逐条输入以下参数：,提示,输入参数,输入参数设置,提示Enter scale factor for element；输入“1”（1和空格键）。提示Indicate position；输入“xyz 0,0,0”（跟随空格）。提示：Indicate Z axis direction,设置方向,选择Z轴方向，右击鼠标，选择SnapZAxis，点击光源右边任何一点（鼠标在右边上下移动时，屏幕上的光标却始终固定在Z轴上）；再次右击鼠标，选择Snap 90 degrees。点击上方任意一点。出现灯具。,鼠标位置,修改底座,使用布尔运算修改底座使之和灯具匹配。调整视角到YZ平面；使用面板命令点击面板后先不要点击位置，而是用鼠标右击任何位置，选择Snap Z-axis并点击反射面的前表面。,作圆柱体,选择后点击，下一步选择半径。以灯具的半径为基准，选择半径略大于灯具（例如6）点击。再次右击鼠标选择Snap Z-axis，再点击反射镜背面左边任何一点；画完后可以在属性对话框中再次修改具体参数如半径、长度等。,布尔编辑,在系统导航窗口中先选择反射镜，再选择圆柱体（注意顺序！）使用面板命令编辑：得到结果如图。,增加小面反射器,一、删除反射器；二、调用效用函数（Tools Utility Library）；三、选择几何学（Geometry）下的反射器（Faceted Reflectors）；四、点击应用（或直接双击反射器）,在新出现的对话框中，取消光源/接收器标签下所有的原有设置。在几何参数标签下，输入边缘半径为53，空洞半径5.6，角度为60度，Z值输入300，半长输入50。,初步模拟,用两百条光线进行初步模拟；用1万条（2万条）光线进行模拟（把光线预览（Ray Preview）取消），并观察效果。,三、创建手电筒身,用布尔三维编辑和模型可以制作出手电筒筒身。选择圆柱体模型，并使用Snap命令，保证圆柱体边长平行于Z轴，起点在反射器左边30mm处附近（Z30）。圆柱体半径设定为66mm。圆柱体长度约为64左右（Z34）。,制作消除的圆筒,重复上述步骤，三个参数分别为Z40，R62mm，Z40。使用布尔编辑把较大的圆筒消除。,制作电池过渡段,制作圆锥型过渡部件，连接灯头和圆筒部分。再次准备画圆柱体，使用命令Snap Object，可以将新画的圆柱体紧贴原来的圆柱体。新的圆柱体起点在Z30，半径和长度都为66。,修改锥形段,鼠标右击选择新建的圆柱体性质对话框，在圆柱体对象几何参数中将Taper参数改为0.5。,制作最后的筒身,缩小视图（拉远视野）从刚才的锥型圆柱出发，新建一个直径33，长300的圆柱体，和圆锥紧密连接（SnapObject）。,连接相关部分,将观察模式转为透明模式；连续选中三个圆柱体（灯头、筒身、过渡段）。在系统导航窗口中检查确认选择正确。使用布尔编辑的组合命令。使用Move命令检查是否已经组合。,小结,一、建立3D光学系统：1.使用命令面板建立模型；2.使用布尔编辑命令修改；二、光源建立：1.使用命令面板直接放置光源，然后在属性面板中修改性质参数；2.调用数据库函数；三、建立接收器：1.在光学系统某个平面上直接放置；2.建立一个虚拟平面（建立一个使用空气为“材料”的平面）；3.建立一个远场接收器（距离在无穷远）；,小结2,四、光线模拟：1.使用指向光线（Point and Shoot）进行检查；2.启动模拟设置（SetUp Simulation），然后设置模拟所需的光线参数（Simulation Infor）；3.使用少量光线（100或200）进行蒙特卡罗模拟并直接观察光线效果；4.使用大量光线进行蒙特卡罗模拟，并在数据图表中观察模拟效果；五、根据观察结果修正参数，改善系统的光学性能。,三、设计背光源,添加光源模型修改特性区域参数接受分析数据,什么是背光源？,Brightness-enhancement film(BEF),Light source,Reflector,Rectangular light guide.,Diffuser,目的,面积：90130mm（？inch）组成：荧光粉、反光镜、3D阵列功能：观看数码照片,结果预览,Lamp,Reflector,3D Pattern,创建步骤,一、调用背光源函数；二、调节背光源模型参数；三、定义导光管的参数（尺寸、材质等）四、设置光源和接收器的参数；五、选择光线散射模式（3D 图案）,创建背光源,一、调用函数：Tools Utility Library.二、设置参数,1选择背光源,2点击应用,设置导光管参数,选择LightGuide标签，输入如下参数：厚度：5mm（系统默认值）；宽度：90mm；长度：130mm；,1、选择“导光管”标签,2、输入“宽度”90,3、输入“长度”130,光源和接收器,选择“光源和接收器”标签,定义散射图案,一、选择“3D材质”标签；二、默认形状为球形：Sphere；三、默认特征为突起：Bump；四、小球半径（高度）设置为0.05mm；五、开始创建背光源（需要继续输入参数）；,1 选择3D材质,2 形状默认为球形,4 输入0.05,3 默认为突起,5 开始创建背光源,完成创建,六、需要插入CCFL模型时，在跳出的对话框中找到安装路径中的：UtilitiesBacklights，打开文件LampReflectorSystem.1.ent。七、等待几秒钟，直到背光源已被创建成功（左下角有信息提示Model Complete），回到LightTools窗口观察生成的背光源。,说明：包含元件,光源：CCFL（cold cathode fluorescent）和圆柱形反射器；光源亮度定义为26000cd/m2，光通量为68.4流明；光线分布为朗伯分布。反射膜：反射率为98，反射光线为朗伯分布的薄膜。导光板：将从侧面射来的光线改为垂直向上。增亮片：增加光线透过率；虚拟表面：,确定底面突起参数,选中参数:System NavigatorLightGuide CubePrimitive_1 BottomSurface Zones Texture打开属性窗口。,选择Geometry（几何性质）标签。选择Placement（位置）的下拉菜单，选择Bezier（贝塞尔）选项。点击应用。,1、选择Texture的属性窗口,2、选择几何学参数,3、选择贝塞尔选型,4、点击应用,修改X、Y参数,在属性窗口中，选择XPlacement并将突起总数（Number of Bumps）改为300，YPlacement标签作同样操作。点击应用，然后点击确定关闭属性窗口。,计算一下点的密度。,检查表面性质,选择导光板底面的突起性质：LightGuide-BottomSurface-Zones-Texture-SphericalElement.打开属性窗口。,0.050,0.050,观察底部光源,调节视角到显示如下画面：,观察画好的底部,选择Preference Navigator中的模型，并打开属性窗口。选择可视度标签，选中显示参数选项。点击应用。等待。观察底部。,安装亮度计,选择表面接收器（在系统导览窗口中选择），并放大到合适大小。在命令面板中选择LumAngular命令。右击鼠标选择SnapObject点击接收器，使得亮度计中心位置在接收器上。移动鼠标到合适位置，再次点击鼠标可以确定选择亮度计大小。,1 放大接收器,2 选择光线类别,3 选择接收器类别,4 选择亮度计,5 右击鼠标，在快捷菜单中选择Snap Object,6 点击接收器，确定亮度计的中心就在接收器上,7 拖动鼠标使得亮度计大小和虚拟平面宽度较为接近，点击鼠标确定大小。,说明：亮度计大小只需和平面宽度近似即可，可以在属性窗口中调节大小。亮度计是正方形，不会覆盖整个接收面。,设置亮度计属性,一、打开亮度计（argularMeter）属性对话框；二、在控制（Control）标签下，将半尺寸（HalfSize）设置为45（或是90/2）；三、将X和Y的偏移值（Displacement）改为零。四、点击确定（OK）。,1 打开亮度计对话框,2 选择控制标签,3 将数值改为90/2,5 点击应用,4 确定X，Y偏移值为0。,Ray Traceability,Ray Traceability选项可以用来表示建立的模型是否会和发射的光线相互作用（反射、散射、折射等等）。如果关闭（Traceable选项被取消），则该模型仍然会存在3D窗口中，但不会对光线起任何作用（全透明）。如果打开Traceable，即使不可见模型也会对光线起作用（使用显示层命令不会改变Traceable性质）。,关闭BEF,一、在系统导航窗口中右击主BEF（Primary BEF），打开属性对话框。二、在追踪光线（Ray Trace）标签下，取消主BEF追踪。三、同上操作，取消副BEF的追踪。,1 选择标签,2 取消选项,进行简单光线模拟,一、点击Setup Simulation，启动模拟参数设置（下方菜单变成可选状态）；二、使用Simulation Infor修改模拟参数；三、执行模拟。,执行大量光线模拟,使用两万条光线进行模拟，接收器Bin为1010。观察结果Scatter Chart和Raster Chart。,Bin的说明,Mesh由若干个Bin组成，每一个Bin所接收到的光线数量表示这个Bin所占据的面积所接收到的光通量，所以单个Bin内的照度可以表示成这个Bin接收到的光线条数除以这个Bin的面积。单个Bin内照度是均匀的，相邻的Bin照度不同。Bin的分布表示了光通量的分布。Mesh总面积是一定的，所以Bin数目越多，单个Bin的面积就越小，数目越少，面积就越大。当Bin的数目很小时，每个Bin的面积很大，计算照度越准确。但Bin内所有光线都取所有光线平均值，对空间分布描述不准确；当Bin的数目很大时，每个Bin的面积很小，空间分布描述准确，但计算误差大。,例一,一万条光线照射在接收器S上。情况一：接收器只有11个Bin。情况二：接收器有100100个Bin。情况一说明：此时1个Bin内有一万条光线，平均照度计算为10000/S。但对于分布来说，S是完全平均的，分辩不出强弱。,情况二说明：一万条光线分布在一万个Bin内，很可能存在某些Bin有两条甚至三条光线，而有的Bin内一条光线也没有。Bin的组合在平面上可以表示光线的强弱，但计算单个Bin时，则有的地方完全没有光线，有的地方照度比相邻区域高出两倍甚至三倍，但实际是不存在这样的地方，所以光强计算有误差。,检查亮度,原理：读取亮度计数据操作：一、命令：Illumination AngularLuminance Display Line Chart,0度经线,总测试,一、打开BEF；二、把Receiver的自动Bin选项打开；三、使用5万条光学进行模拟；四、等待（五至十分钟）；五、观察结果。,选择材质,导光板默认材质为BK7，要修改为acrylic；一、选择命令Edit User Materials，在对话框中选择命令Import，在跳出的窗口中选择文件夹LightTools5.1Materials；二、在文件夹中打开文件：acrylic.1.mat（注意：只是把材料变为可以使用，还没有真正修改导光板材质）；,改变材质,三、打开导光板的属性窗口；四、选择材料标签，在目录（Catalog）下拉菜单中选择用户材料（User Material）五、在材料下拉菜单中选择acrytlc材料；六、确定。,完,