lighttools光学模拟教程
LightTools5(二)
LIGHTTOOLS5.0（二）
元件操作
一、修改元件整体属性
情况一、未选中时修改表面的球心 半径，则透镜的直径未改动。
情况二、选中“自动计算选项”， 则透镜直径自动扩充到5mm。（注 意两种情况下边沿厚度）
设置倾斜度和最大经过次数
最大经历次数：在非序列 光线模拟光线传播时，一 条模拟光线可能多次经过 某个平面。当该光线经过 该平面的次数达到Max Hits时，就会终止模拟， 不再计算光线的传播路径。 倾斜度：以球面透 镜为例，角度表示 球心偏离原来轴心 的角度。
1、折射光线（允许全反射）； 2、分裂光线（同时发生反射和折射）； 3、仅折射光线（不会反射或全反射）*； 4、仅反射光线（不会折射）； 5、仅全反射光线。
2、设置二维zone的大小和形状
在表面上添加2D图案. 可以添加一个图形， 也可以添加一个二维 图案的阵列（四种）。
添加阵列命令格式
ArrayRectPZ XYZ x1,y1,z1 RctHeight RctWidth EleHeight EleWidth Xoffset Yoffset Xspacing Yspacing
四、表面光学性质设置
在属性窗口中选择“区域”选项，下属的“光路 通道”（Zone）和“边缘地带”（BareSurface） 可以设置不同的光学属性和几何形状，用于选择 通过的光线。
1、不同光学性能选择（折射、反 射等等） 区域形状选择 光学性能总类
Lighttools基础教程
8
Hale Waihona Puke LT软件的使用——光学系统模型
内建模型 元件 机械模型 模型修改 导入外部光源 文件→导入→STEP等通用格式
文件→Solidworks Link
LT软件的使用——光学系统模型
材料的设置 在“系统浏览器”的“分量”中右键点击3D模型，可以设置属性。 其中最关键的是材料的设置。
www.osram.de
教程
| 2014-4-10| DCS
软件介绍
LightTools 软件由美国Optical Research Associates (ORA)公司开发的光学系统建模软件。主要应用于照明系 统的计算机辅助设计。
2
LT操作界面
1. 打开Light Tools 软件
工具栏
系统浏览器 工作区
LT软件的使用——仿真分析
仿真结果 在菜单栏的“分析”里面可以查看仿真结果。
设置虚拟表面
LT软件的使用——探测器设置
光强探测器 在工具栏→光线追迹 里有两个球体，点击后分别可以设置近 场或远场光强探测器。 点击后在工作区中会出现虚拟的球体，可以观察探测器的方 向。
LT软件的使用——仿真分析
仿真分析 光源、模型、探测器设置完成后，点击工作区中的“！”开始仿真。
LT软件的使用——光学系统模型
表面的设置 在“系统浏览器”的“分量”中点击“+”号展开3D模型，右键点击3D模型 中的表面则可以设置面的属性。
LT软件的使用——探测器设置
照度探测器 需要设置于一个表面上。 通常先在探测器的位置画一个虚拟表面，然后在“系统浏览器” 的“分量”里右键点击虚拟表面，添加接收器。 也可以直接右键点击工作区的3D模型表面，添加接收器。 虚拟表面中添加接收器 模型表面中添加接收器
lighttools 基本操作ppt课件
5
对非成像光学系统的评估主要是能量收集率。 ——能量的分配
如图2所示的非成像光学器件模型：A 所代表的平 面是入射孔径面积，A′所在的平面则是出射孔径面 积。 假设该器件的出射孔径面积A′能够让全部光线都透 过这部分面积出射，入射光束面积与出射光束面积 这两者之间的比值C 就是能量收集率。
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能量收集率：C= A/ A′
Luxeon K2原厂数据
•光强分布为朗伯体 •光通量：17.6 lm •最大光强5.04 cd
BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd
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Light tools光学设计目标
设计目标 设计一款新的K2 LED的光学封装结构，使之具有高方向 性的光强分布
设计要求 –总的光通量不能减小太多 –能简易替换现有光学元件
Optical Research Associates 1963 成立 ，1994 LightTools开发
Non-sequential Ray Tracing SoftWare
3D Object MonteCarlo Ray Trace Method
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何时需要用到LightTools？
每一个需要控制光线的行业里都可以应用！
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Scattering（散射） 接收面
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！
In
Out Specular Snell’sLaw
In
Out
Diffuse Lambertian
In
Out Mixture
Real Life
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Section 2 LightTools 基本介绍
LightTools
LightTools 8.2.0仿真应用教程
KX OPTOELECTRONIC CO.,LTD
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在控制选项卡中选择矩形，并将高度宽度均设为1000毫米，点击 应用查看效果。
KX OPTOELECTRONIC CO.,LTD
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在设置好的平面处单击右键选择“添加表面接收器”即可。（如果 需要在其他位置查看发光效果，可在属性中直接修改坐标参数）。
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选择圆柱体的前表面，右键点击选择“光学属性-打开光学属性管 理器”，选择“实测BSDF”并点击应用。
KX OPTOELECTRONIC CO.,LTD
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在“BSDF”数据选项卡中点击“加载”按钮，并从文件夹中选取 所需扩散膜数据文件（图中我们选择C-HE10系列扩散膜），点击 应用后确定。
KX OPTOELECTRONIC CO.,LTD
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右键单击圆柱体选择属性，坐标设置如下图。并将材料选择为空气。
KX OPTOELECTRONIC CO.,LTD
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将圆柱体尺寸设置如图，点击应用后确认。
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Thank You！
KX OPTOELECTRONIC CO.,LTD
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KX OPTOELECTRONIC CO.,LTD
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Байду номын сангаас
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重复之前的步骤，单击上方感叹号按钮进行光线追迹，在上方 工具栏中选择“分析-照度显示-LumViewer”查看接收器所接收 的正向照度分布。（扩散膜微结构正对光源，与未加扩散膜时 对比，可见此时扩散效果有了显著提升）
lighttools光学模拟教程
例如，你有精确的量测你的光学系统表面散射特性吗？你有包含制造时的公差吗？是 否几何光线追迹适合你的问题或你必须使用同调性光束或光束传播方法去模拟同调性 或绕射效应。如果不能准确的提供这些信息给光学软件,你必须要牺牲一些参数来尽可 能的趋进于现实,尽管这样看来,这些被牺牲的参数可能与实际的参数相差较大.但这是 为了提供更加接近现实而做的牺牲.
2020/6/22
WRITTEN BY ADAMLEE
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关与Receiver
Receiver是这样一种特殊的物体,它为系统提供了一个约 定,系统会统计接触到这一物体的光线数据.这里再一次强 调“光线”是空间中带有能量,方向向量及其他光线追迹 所必须的参数的点而不是一条线.
当你的系统已经包含Receiver,并进行了足够数量的 光线追迹后,系统便可以按照不同类型的Receiver来进行 不同方面的分析工作.
2020/6/22
WRITTEN BY ADAMLEE
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2020/6/22
2D object panel
这个面板用于输入一些二 维的曲线或 者是字符.这一类型 的物体通常不具备 光学属性,但是可以 通过这一个的物体 来构建一些较为特 殊的表面甚至是立 体
WRITTEN BY ADAMLEE
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3D object panel
2020/6/22
WRITTEN BY ADAMLEE
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光线的概念
光线追迹的原理
几何光线的概念对光学是非常重要的，至少从牛顿的时代以来，光线经 常被形容为垂直光电磁波波前的射线。对我们而言，光线的重要是在光 线可以仿真电磁波能量（单位时间通过的能量或称为光通量）。光线不 是一个携带量子能量的光子，光线所代表的是光能量的连续传递。结 果，光线追迹的结果代表的是稳定态的状态。只要我们追迹够多的光 线，只要我们光学系统空间的尺度远大于用于所模拟的光波波长，我们 就可以假设系统与时间没有相关，使用光线模拟来获得高精度的真实光 学系统行为预测。
Lighttools光学仿真软件-含核心模块(Core Module)、照明模...
Lighttools光学仿真软件-含核心模块（Core Module）、照明模块（Illumination Module）、优化模块（Optimization Module）、高级物理模块（Advanced Physics Module）和数据交换模块（Data Exchange Module）各模块性能：（1）核心模块：为所有模块的工作基础。
提供图形化的三维实体建模功能和交互式光线追迹，用于创建可视化的光学和光机一体化系统包括定义材料和光学表面属性的功能。
具备指导功能的用户界面、中英文界面的自由选用、面向任务和应用的各类数据库、专用工具箱和设计系统实例、可扩展编程的自动化流程以及机械模型的照片级渲染；（2）照明模块：分析和模拟光通过模型中的光学和机械部件后的情况。
可描述多个光源和接收面，使用蒙特卡罗快速追迹光线，提供经过模型之后的强度、亮度、照度的精确预测。
照明分析功能可现实光源在模型中的发光效果；（3）优化模块：可自动提高各种照明系统的性能。
可人已从多种系统参数中选择优化变量，确定边界条件和评价函数以获得需要的系统性能指标可确保在很短时间内获得实用解决方案；（4）高级物理模块：拓展了高端应用的光学模拟功能。
可充分利用编程扩展的优势来开发、定制新型光学元件和照明子系统，如复印机、扫描仪、偏振元件、散射片、膜系、包括渐变折射率在内的特殊光学材料等。
结果可打包成方便小巧格式，与他人共享。
可创建磷粉发光材料；（5）数据交换模块：提供符合工业标准的CAD文件输入和输出功能，包括各自独立的IGES、STEP、SAT、CATIA_V4、V5和Parasolid格式的数据交换模块。
同时支持对导入几何体的结组、简化、修复功能，以维持CAD模型的完整性和提高光线的追迹速度。
可实现功能（1）交互式（point-and-shoot）光线追迹可以快速检验系统模型；（2）优化功能，可自动提高系统性能；（3）系统模型构建，包括偏振、散射、表面反射、折射与衍射、镀膜和彩色滤光片等特性；（4）支持各类表面光学属性，包括彩色和半透明光学塑料和玻璃、毛面和亚光表面涂料、光学镀膜和滤光片；（5）复杂光学表面和元件建模；（6）全系列光源模型；（7）接收面滤片功能；（8）支持基于测量的光线数据库光源，包括Radiant Source TM光源模型；（9）使用测试(BSDF)散射数据模拟散射效果；（10）自带建模库、光源库、表面涂饰库、镀膜库、滤色片库和面向应用的工具库；（11）交互式智能化的用户界面；（12）支持Visual Basic宏定制解决方案；（13）与CAD软件协同工作。
LightTools 光学模拟软件说明书
Core ModuleGeometry Creation and Editing• Lens primitives (rectangular or circular apertures)• Spline sweep and patch surfaces• Polyline sweeps and extrusions• Conic trough and revolved reflectors• Cylinders, blocks, spheres, toroids, and skinned solids• Union, intersection, subtraction boolean operations• Object trim operation• Move, rotate, scale, align• Copy, rectangular, and circular pattern copy• Multiple and partial immersion and cementing for solid objects• Pickups for parametric modeling• Grouping of model entitiesOptical Properties• Specular reflection/transmission/TIR with Fresnel losses• Diffuse transmission/reflection• Scatter models: mixed diffuse, narrow angle, and angle of incidence (AOI)• Volume scattering (Mie, user defined)• Scattering aim regions• User-defined coatings• Probabilistic ray splitting and importance sampling• Constant or varying optical density or transmittance vs. length• Index of refraction (constant, interpolated, standard dispersion formulas)• Surface patterns of 2D or 3D elements• Photorealistic rendering (Illumination Module needed for lit appearance)User Interface and Other Features• ActiveX interface for macro programming in MS Excel, VB, VC++, Matlab, Mathematica, and others • OpenGL-rendered graphics• Tabbed windows and editable spreadsheets• Multiple design views and navigation windows• Point-and-click, copy-and-paste, moving and resizing of windows• Extensive help featuresPoint-and-Shoot Ray Tracing• Parallel, diverging, or converging sets of rays• Individual rays, 2D ray fans, 3D ray grids• Sequential and non-sequential ray propagationLibraries• LED sources• Display films• Application and feature examplesIllumination ModulePowerful illumination analysis capabilities, such as photorealistic renderings that show the luminance effects of light sources in the model, simulate real-world conditions and reduce the need for physical prototypes.Illumination Analysis• Photorealistic Rendering• Photometric or radiometric analysis using forward and backward ray tracing• Illuminance, luminance, luminous intensity• Line charts, raster, contour, and surface charts• Colorimetric analysis: 1931 and 1976 CIE coordinates, correlated color temperature• RGB output display, CIE chromaticity chart• Post-processing of output data• Receiver data filtering using over a dozen filter types• Encircled and ensquared energy• Spectral power distribution• Multi-CPU processingSources and Receivers• Point sources• Volume and surface emitters (spheres, cylinders, blocks, toroids)• User-defined spatial, volume, and angular distributions• Source emittance aim regions• Spectral distributions: Blackbody, Gaussian, continuous, discrete, and user defined• Angular and spatial importance sampling• Ray data sources and Radiant Imaging source model support• Surface and far field receivers• Angular and spatial luminance meters• Receiver aperture sub-samplingOptimization ModuleThe Optimization Module gives designers tremendous flexibility to choose from hundreds of system parameters to designate as variables, constraints, and performance criteria in order to achieve the desired system performance.Illumination Optimization• Optimize illumination uniformity and/or flux on a receiver• Match target illumination distributions• Collimate and focus merit functions for non-sequential rays• Lagrange constraint handling• User-defined variables, constraints, and performance criteria• Vary any floating point model parameter• User-defined combinations of parameters• Bounded and unbounded variables• Backlight pattern optimization utility• Parameter sensitivity utility• Point-and-shoot ray merit functionsAdvanced Design ModuleThe Advanced Design Module leverages proprietary algorithms from Synopsys’ LucidShape products that automatically calculate and construct optical geometries based on user-defined illuminance and intensity patterns. This unique, functional approach gives designers the freedom to focus on overall design objectives rather than the implementation details of complex optical components.• Freeform Design features for modeling freeform reflective and refractive surfaces that are automatically shaped to form the resulting light pattern.• MacroFocal Reflector tool for designing multi-surface segmented reflectors, with different spreads for each facet.• Procedural Rectangle Lens tool for designing surfaces with pillowed optical arrays.• LED Lens tool for creating various types of freeform LED collimator lenses.Advanced Physics Module• Designers can take advantage of programming extensions to develop custom optical parts and advanced illumination subsystems using:• Phosphor particle modeling (single and multiple)• Gradient Index (GRIN) materials - used in copiers, scanners, and fiber optic telecommunication systems.• User-defined optical properties (UDOPs) - such as proprietary polarization components, scatterers, coatings, and other specialty optical materials.• Birefringent (uniaxial) materials - used in advanced applications such as AR/VR headsets and biomedical instruments.The results for UDOPs and birefringent materials can be packaged into a portable format and exchanged with your project team, customers, suppliers, and subcontractors.SOLIDWORKS Link ModuleThe SOLIDWORKS Link Module enables you to link SOLIDWORKS 3D opto-mechanical models to LightTools, where you can assign optical properties and use the Optimization Module to optimize your design. This module provides complete parametric interoperability between LightTools models and SOLIDWORKS.Data Exchange ModulesSupporting features for the Data Exchange Modules include the ability to group and simplify imported geometry and perform geometry repairs to maintain CAD model integrity and improve ray trace speed.Translators• SAT version 1.0 through 7.0• STEP AP 203 and AP 214• IGES version 5.3, including surfaces and solids• Parasolid• CATIA V4 and V5 (import and export)• Grouping and simplification of imported surfaces• Geometry repairLightTools SmartStart Library ModuleProvides access to a library of materials and media commonly used in the design of automotive lighting systems. Includes refractive index and absorption data as well as pre-defined volume scatter and BSDF materials.Imaging Path Module• Sequential ray tracing• Paraxial solves• Image path view• Spot diagram and transverse aberration plotsDistributed Simulation ModuleThe Distributed Simulation Module allows you to distribute Monte Carlo ray tracing over multiple computers to speed simulations of complex optical models.©2022 Synopsys, Inc. All rights reserved. Synopsys is a trademark of Synopsys, Inc. in the United States and other countries. A list of Synopsys trademarks isavailable at /copyright.html . All other names mentioned herein are trademarks or registered trademarks of their respective owners.。
Lighttools基础教程
视觉调整
模拟 光线显示/隐藏 画一条光线看看
LT操作界面——工具栏
第1级 第2级
第3级
LT软件的使用
内建光源 光线数据导入
3D建模 外部3D导入
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光源模型
光学系统模型
表面与材质设置
探测器设置 数据分析(结果)
优化与反馈
LT软件的使用——光源模型
内建光源
表面光源
体积光源
导入外部光源
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LT软件的使用——光学系统模型
光强探测器
➢ 在工具栏→光线追迹 里有两个球体，点击后分别可以设置近 场或远场光强探测器。
➢ 点击后在工作区中会出现虚拟的球体，可以观察探测器的方 向。
LT软件的使用——仿真分析
仿真分析 ➢ 光源、模型、探测器设置完成后，点击工作区中的“！”开始仿真。
LT软件的使用——仿真分析
仿真结果 ➢ 在菜单栏的“分析”里面可以查看仿真结果。
LT软件的使用——探测器设置
照度探测器
➢ 需要设置于一个表面上。 ➢ 通常先在探测器的位置画一个虚拟表面，然后在“系统浏览器”
的“分量”里右键点击虚拟表面，添加接收器。 ➢ 也可以直接右键点击工作区的3D模型表面，添加接收器。
设置虚拟表面 虚拟表面中添加接收器
模型表面中添加接收器
LT软件的使用——探测器设置
教程
软件介绍 LightTools 软件由美国Optical Research Associates
(ORA)公司开发的光学系统建模软件。主要应用于照明系 统的计算机辅助设计。
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LT操作界面
1. 打开Light Tools 软件
系统浏览器
工作区
工具栏
LT操作界面——系统浏览器
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精品课件
STARSMAN
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2020/8/9
LightTools是什么？
LightTools 基本上是一种具有弹性及效率之光学系统 模型化的工具，它可以利用蒙地卡罗光线追迹的技术 做光-机结构间的仿真，它可以不必假设系统之对称性， 做单轴、全局、三维坐目标模拟。
当光束穿越整个光学系统，光束可以自动地 分裂为反射，折射，偏振光及散射的分量，当这束光 穿越整个系统，光束可以包含物体任意的次序，独立 的根据物理可实施之路径行进。这类的光线追迹一般 称为“无限制的”或“非序列的”。LightTools所做 的就是一个根据真实光线在真实世界里的路径的仿真 仿真。
精品课件
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2020/8/9
关与Receiver
Receiver是这样一种特殊的物体,它为系统提供了一个约 定,系统会统计接触到这一物体的光线数据.这里再一次强 调“光线”是空间中带有能量,方向向量及其他光线追迹 所必须的参数的点而不是一条线.
当你的系统已经包含Receiver,并进行了足够数 量的光线追迹后,系统便可以按照不同类型的Receiver来 进行不同方面的分析工作.
每单位立体
功率 Luminance
面积,每
精品课件
亮度
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每单位
2020/8/9
光通量
亮度学
辐射度学
物理量 辐射通量(Radiant flux) flux)
光通量 (Luminous
单单位 位面瓦特积(上Watt的(W光)) 通量 流明(Lumen(lm))
亮度学
辐射度学
物理量 辐射照度 Irradiance
精品课件
2 2020/8/9
基本辐射度学及亮度学概念
辐射度学是关与任一波长的电磁辐 射定量及量测.
亮度学是完全相同的事,但是限制 在人类眼睛有反应的波长范围.
精品课件
3 2020/8/9
辐射度学的四个基本单位
RADINANT FLUX
IRRADIANCE 的功率
RADIANT INTENSITY 功率
精品课件
9 2020/8/9
光线追迹的原理
光线的概念
几何光线的概念对光学是非常重要的，至少从牛顿的时代以来，光线经 常被形容为垂直光电磁波波前的射线。对我们而言，光线的重要是在光 线可以仿真电磁波能量（单位时间通过的能量或称为光通量）。光线不 是一个携带量子能量的光子，光线所代表的是光能量的连续传递。结 果，光线追迹的结果代表的是稳定态的状态。只要我们追迹够多的光 线，只要我们光学系统空间的尺度远大于用于所模拟的光波波长，我们 就可以假设系统与时间没有相关，使用光线模拟来获得高精度的真实光 学系统行为预测。
角
亮度学
辐射度学
物理量 辐射亮度 Radiance Brightness
单位
W/m2-sr
=nit
光亮度 Luminance或 lm/m2-sr=cd/m2
精品课件
7 2020/8/9
辐射度学与亮度学的转换
一个candela发光强度的单位是定义为556nm的单色 光光源在一定方向发出每立体角1/683瓦特的辐射强 度 流明是均匀的点光源发出一个candela的发光强度的 光通量进入一个单位立体角
RADIANCE 单位立体
辐射通量 辐射照度
辐射强度
辐射亮度
功率 每单位面积上
每单位立体角上的
每单位面积,
角上的功率
精品课件
4 2020/8/9
亮度学的几个基本单位
Luminous flux
Illuminance 面积的
光通量 光照度
功率 每单位
功率
Luminous intensity 发光强度 角的
精品课件
8 2020/8/9
关与精确度
人们经常问“光学仿真有多精确﹖”。这个当然是一位尝试预测或解释实务系统行为 的实务工程师所必须要问的问题。LightTools做所有的计算都可以采用浮点运算的方 式，但这并未告诉我们太多有关精确的问题。实际的解答必须依赖下面两件事。
1. 你的系统模型假设有多好？
2. 追迹了足够光线吗？
当应用“蒙地卡罗”描述法时，“机会”是（这是统计）趋近法中的必要元素。这期 望中的精确是光束数目的函数。在实务上，我们可以加倍光线追迹的数目，来看答案 在预定的精度内是否达到稳定。若不稳定，则再增加光线追迹的数目。LightTools提 供一个参数来帮助你评估这个精确度,这就是Error Estimate at Peak值,这个值越低, 表示你的结果有可能越精确,适当的提高光线数目会减小这个值.当然,这一切只是有可 能.具体的情况要看你的系统的具体状况.
单位
W/m2
光照度 Illuminance lm/m2 =Lux(lx)
精品课件
6 2020/8/9
单位立体角的光功率
亮度学
辐射度学
物理量 Radiant Intensity辐射强度 光强度
Luminous Intensity 发
单位
W/sr
烛光
单Can位dela面(cd)积 =流明单/立位体 立体角的光功率
当你需要某一种类型的分析,而该分析命令却是 灰色的时候,很可能是因为你没有建立相应类型的 Receiver.而当你执行某一类型的分析却得不到正确的数 据时,很可能是因为你的系统设定问题导致光线无法正确 的到达Receiver或者是你的Receiver设置了不正确的参数.
精品课件
10
2020/8/9
光学仿真软件中光线的概念
任何一本教科书中光线追迹的章节，都会描述图中带箭头的蓝色线为“光 线”.但在光学仿真的过程中,我们需要不同的定义:“光线是空间中带着方 向向量与光通量的点。图中的这些线只是这些点通过光学系统的路径。”光 学仿真的一切运转都是基于这一点.
光学仿真软件以三维卡氏坐标 (x、y、z) 在与你所描述几何形状相同的全 局坐标系统中描述光线。这些光线还有一个方向向量及相关的能量参数和介 质属性伴随着它。在均匀介质中（例如真空或在玻璃、塑料对象中），光线 沿着方向向量移动。在不同介质的接口或在反射面上，方向向量改变。当光 在接口处理时，光通量及介质的特性也可能改变，在一个表面上所有光线的 这些参数,是我们来评估,分析光学系统的基本.
例如，你有精确的量测你的光学系统表面散射特性吗？你有包含制造时的公差吗？是 否几何光线追迹适合你的问题或你必须使用同调性光束或光束传播方法去模拟同调性 或绕射效应。如果不能准确的提供这些信息给光学软件,你必须要牺牲一些参数来尽可 能的趋进于现实,尽管这样看来,这些被牺牲实而做的牺牲.