CST_LightTools_2_Days_Basic_Training_2008

nullLightTools® 2 Days Basic TrainingLightTools® 2 Days Basic Training思渤科技 光學業務部 工程師 王弘鈞 Richard.wang@cybernet-ap.com.tw http://www.cybernet-ap.com.tw課程目標課程目標介紹LightTools® 操作介面 初步講解基本操作指令 針對 Core Module與Illumination Module介紹 透過練習讓學員能熟悉 LightTools® 使用環境大綱大綱Section 1: 照明原理介紹 Section 2: LightTools 基本介紹 Section 3: 幾何形狀建立 Section 4: 建構複雜的物件 Section 5: 光學特性設定 Section 6: 定義光源 Section 7: 接收面與圖表 Section 8: 進行模擬 Section 9: Utilities Library 簡介Section 1 照明原理介紹Section 1 照明原理介紹Primary Illumination QuantitiesPrimary Illumination Quantities常見的量 Flux（通量） Radiometric 輻射記量 Photometric 光度記量 Illuminance（照度） Intensity（強度） Luminance（輝度）輻射記量與光度記量輻射記量與光度記量光度記量間的關係光度記量間的關係LuminanceIlluminanceIntensityIf Distance, R, is large I = Illuminance * R2If L is constant Intensity = L * Projected AreaIf Illuminance is constant Flux = Illuminance * AreaIf L is constant Flux = L * Etendue If PSA is constant over the area Etendue = Area * PSA If Intensity is constant Flux = Intensity * Solid AngleFluxScattering（散射）Scattering（散射）沒有完美的光滑表面！散射特性在設計上往往佔有重大的功用 一般而言，表面通常同時存在著鏡射與散射的特性。 Section 2 LightTools® 基本介紹Section 2 LightTools® 基本介紹LightTools®介紹LightTools®介紹LightTools® Optical Research Associates。 1963成立。 1994 LightTools®開發。 員工超過80人、50%以上技術背景人員、16 PHD。 Non-sequential Ray Tracing Software。 3D Object。 Monte Carlo Ray Trace Method。 優點 不只是分析軟體，更是設計軟體！ 計算速度快。何時需要用到LightTools®？何時需要用到LightTools®？每一個需要去控制光線的行業裏都可以應用LightTools®的模組LightTools®的模組目前版本：LightTools 6.0.0 Core Module:提供了廣泛的光學模組選擇方案 系統的建構 布林運算 互動式3D立體建模環境的革命性照明設計軟體 包含巨集語言和支援 COM 的介面 Illumination Module:提供蒙地卡羅模擬法 照明系統的模擬 Monte Carlo光源 接受器與計量器 Optimization Module: 全新的優化功能 完整的最佳化系統- Merit Function 尋找最佳情況, 增加系統的效能 Four Data Transfer Module:支援通用工業CAD數據格式 標準格式：STEP、SAT、IGES。 特殊應用軟體的格式：CATIA。確認你的電腦系統確認你的電腦系統LightTools®的特色LightTools®的特色模型建構 CAD 使用者圖形介面（GUI），使用簡單 能容易的修改建立的元件，包含布林運算 可以讀取及轉成 IGES、STEP 及 SAT 檔案格式 材質：折射率、吸收率、體散射、偏振 表面：穿透反射吸收、散射、塗膜、偏振、Fresnel loss “point and shoot” 光跡追蹤功能。 照明分析 各式光源（可自建角度、空間分佈） 多種觀察方式（照度、强度、輝度和色彩） 速度快 傑出的靈活性 結合指令列和 GUI 其它軟體搭配，MATLAB、VB、VBA，C++…照明分析的基本架構照明分析的基本架構LightTools® 的應用LightTools® 的應用照明系統的設計與分析 導光管、平面顯示器、汽車照明、投影系統…等 雜散光研究 Veiling glare, scattered light (BSDF) 複雜的光機設計 概念設計 光學設計 可與 CODE V 連結開始一個新模型開始一個新模型當然首先要執行 LightTools 程式 選擇 File > New Model > 3D DesignLightTools® 的操作介面LightTools® 的操作介面3D 設計視窗詳解3D 設計視窗詳解善用滑鼠右鍵善用滑鼠右鍵滑鼠左鍵與一般 Windows 功用相同，即「選取」功能 滑鼠右鍵的功能卻相當多 按一下即可跳出文字選單 按住可進行 3D 視野的旋轉 與 Ctrl 鍵同時按住可進行視野縮放 與 Shift 鍵同時按住可以進行視野平移客製化自己的操作環境客製化自己的操作環境View > View Preferences 記得要記憶環境（Save View Environment）練習一: 認識與設定個人介面練習一: 認識與設定個人介面將3D編輯視窗修改為白底黑字,單位: mm, 曲率模式: Radius Edit-Preference General Preference-System Title : 自行定義名稱 Unit Radius Mode Default Reveiver & Source 單位改為 Photometric Save: 將環境儲存成系統內定值 Right-Click on “General Preference” – Save General and DefaultSection 3 幾何形狀建立Section 3 幾何形狀建立指令按鈕指令按鈕LightTools 的指令按鈕有三層 第一層：類別選單（共6種） 3D 模型、編輯、光線…等 第二層：種類選單 3D 模型種類、光線種類…等 第三層：指令選單 比其他層的圖示大 圖示會標示需要輸入的點 指令欄會即時的告知下一步LightTools® 中所謂的「物件」LightTools® 中所謂的「物件」LightTools 以實體模型為架構 每一個物理實體都是一個完整的固體模型 每個物件都有表面，表面不會獨立存在 所建構的幾何形狀稱為 “primitives” （原型） 原型多為球、方塊、柱狀…等 可以透過編輯成為複雜的幾何形狀 一個物件是透過多個原型結構所組成的 Optical vs. MechanicalOptical vs. Mechanical物件的原型可以從 “Elements” 及 “3D Objects” 建構，只是初始設定會不同基本原結構基本原結構方塊（Cube） 球（Sphere） 橢球（Ellipse） 超環面（Toroid） 圓柱（Cylinder） 橢圓柱（EFiber） 自由面（Skinned） 延伸（Extruded） 旋轉（Revolved）跟著圖示輸入點跟著圖示輸入點座標系統座標系統LightTools 有全域（Global）與使用者座標（UCS） 兩個座標系統皆遵循右手定則 旋轉座標採用光學旋轉座標（Euler angle） 順序很重要！對多方向旋轉而言：Alpha 先轉，接著 Beta 沿著新軸再轉，最後 Gamma 再沿著更新軸再轉座標旋轉範例說明座標旋轉範例說明使用者定義座標 UCS使用者定義座標 UCSUCS 可以根據全域座標進行相對的位移與旋轉 View > View UCS > UCS Preferences表面座標系統表面座標系統每一表面有屬於自己的區域座標 Z 軸為沿物體外的法現方向 可以使用 UCS 來觀察表面座標位置如何定義 UCS如何定義 UCS可至 Viewing 面板上選取 UCSAxes 面板 UCS 可以放置在表面或光線上來進行校正與定位 UCS 座標與全域座標的相對關係，在進行草圖設計時是非常方便UCS 視圖UCS 視圖藉由 3D 設計視窗上的工具列按鈕，可以清楚的知道物體的各方向視野「點」的輸入「點」的輸入LightTools 提供了座標點的輸入方式來建立模型 座標點可以透過絕對座標值或相對座標值的方式來輸入 XYZ LXYZ 絕對座標 DXYZ LDXYZ 相對座標 座標點亦可以輸入全域座標值、UCS 座標值或是工作平面座標值 XYZ DXYZ 全域座標 LXYZ LDXYZ UCS座標 所有的座標輸入之後將會換成全域座標值「點」的輸入（2）「點」的輸入（2）點的輸入也可以用長度與角度的方式來表示 LA 在工作視窗上的長度與角度 「點」輸入範例「點」輸入範例XYZ 0,0,0 點位置在全域座標的原點 DXYZ 1,2,3 相對前一點往 X 移 1 往 Y 移 2 往 Z 移 3 LA 2,45 長 2 角度45° ; 重複上一個點座標利用「點」來建方塊利用「點」來建方塊利用對話視窗修改利用對話視窗修改直接點選3D物件或是樹狀列上的物件名稱, 呼叫屬性視窗直接修改物件參數 物件層可以修改座標方位等 Primitive層可以修改外型尺寸光學元件光學元件當物件為光學元件時，材料內定值為 BK7 表面會根據不同功能，適時給予光學的特性 練習二：設計單鏡片練習二：設計單鏡片設計一個Lens, 直徑50 mm, 厚度4 mm, FrontSurface曲率半徑100mm, 位於 xyz (0,0,19), ReaeSurface曲率半徑0mm。儲存此檔案。 參考面（Dummy Surfaces）參考面（Dummy Surfaces）永遠以線架構的方式呈現 兩種參考面 平面（Flat plane） 座標起始點為中心點，法線方向往點 2 方向 通常在設定觀察面時會使用到 球面（Spherical surface） 座標起始點為中心點，法線方向同全域座標 經常使用在複雜物件的建構上“Extruded” 與 “Revolved”“Extruded” 與 “Revolved”兩個建模的指令可以建構出較為複雜的原型 Extruded：利用點構成一平面再進行延伸以成為實體 Revolved：利用點構成一平面在進行旋轉以成為實體“Extruded” 的建立步驟“Extruded” 的建立步驟點 1點 2點 3點 n步驟 2： 選取另一視窗定義點 n+1步驟 1： 定義外型步驟 3： 輸入 “ ; ” 結束整個步驟“Revolved” 的建立步驟“Revolved” 的建立步驟編輯 Extruded / Revolved編輯 Extruded / Revolved對話窗將顯示所有點相對於物件的座標值 可以藉此編輯修改點座標位置 無法額外增加點 其他的功能 Extruded：可以改變長度與錐度 Revolved：可以改變旋轉角度練習三：建立一反射罩練習三：建立一反射罩開啟練習二檔案(將Lens 隱藏) 右圖為一反射片圖示，每個點的位置如下 利用 “Extruded” 功能來建立該反射罩 存檔2524Section 4 建構複雜的物件Section 4 建構複雜的物件複雜的物件複雜的物件透過 LightTools 所建構的 3D 元件，如同上一章所提到的我們稱為 “primitives” （原型） 複雜形狀的物件可以藉由以下方式獲得： 由多個原型所組成 讀取 CAD 軟體所建構好的模型 可以藉由類別選單中的 「修改」來進行編輯如何選取多個物件來編輯如何選取多個物件來編輯在系統導覽中對物件 按滑鼠左鍵選擇單一物件 Shift + 滑鼠左鍵選擇一範圍的物件 Ctrl + 滑鼠左鍵選擇想要的多個物件選擇功能面板選擇功能面板編輯功能面板編輯功能面板選擇了物件之後： 可以移動、複製及旋轉 可以校準物件 可以縮放物件 可以針對物件進行矩陣複製 方形狀排列 圓形狀排列利用文字選單編輯利用文字選單編輯當選擇了一個或多個物件後，立即按下滑鼠右鍵，即出現文字選單提供編輯選項 Edit All Selected 可以方便改變多個物件的特性群組功能面板群組功能面板群組功能可以讓每一個獨立確有關係的物件群組起來 在移動群組時，每個元件也會相對的移動 每個元件有各自的特性（材料、光學特性及尺寸…等）布林運算布林運算布林運算（Boolean operations）可以將 LightTools 所建立的物件群進行處理，以產生較複雜的物件 多個物件組成「一個」物件 可進行無限次的布林運算 運算後的形狀仍可編輯 布林運算後仍可解除運算 每次 Unbool 即解除前一次運算導光管布林運算範例導光管布林運算範例布林運算前的導光管所有物件布林運算前的導光管所有物件布林運算的種類布林運算的種類Union 將兩個以上的物件相加 Intersect 保留兩個物件重疊的地方 Subtract 兩個物件相減（第一個物件減第二個 物件） Trim 將物件切割一個面 Unbool 取消布林運算 Union（聯集）Union（聯集）Intersect（交集）Intersect（交集） Subtract（差集）Subtract（差集） Trim（裁減）Trim（裁減） 練習四：陣列反射罩 (1)練習四：陣列反射罩 (1)將之前的練習三 檔案開啟，利用 “Trim” 的指令裁減成為 20 度角的反射罩 中心位置在 X=0，裁減點在 XYZ 0,0,0 的地方 暗示：LA 將會是不錯的指令練習四：陣列反射罩 (2)練習四：陣列反射罩 (2)利用 “Circular array” 功能將三角反射罩旋轉複製成一 360o 反射罩 原始的物件會重複一次（記得刪除） 將所有物件選取後進行 “Union”布林運算後可再編輯布林運算後可再編輯布林運算後的物件樹狀列布林運算後的物件樹狀列“System Navigator”（系統導覽） 會將物件結構以數壯烈的方式顯示出來 表面若是出現括弧，表示該面在布林運算後消失了範例: 積分球範例: 積分球建構積分球 建立兩個球半徑分別為 9 mm 與 10 mm 然後相減 建立一半徑 1.0 mm 的圓柱 將上述布林運算相減後的球殼減掉上述的圓柱 膠合（Cement）膠合（Cement）Cement 常運用在兩個表面間無空氣存在的情況 膠合時若兩表面曲率不同，則第二選取的表面將會自動與第一面相同 注意：若兩個表面特性不同時，會產生不同方向的光線往返會有不同結果出現 Break 破壞兩個表面的膠合情形 點選 Break 再點選欲破壞的膠合面 Break 執行後兩個面仍會是重疊，但不互相膠合膠合功能範例膠合功能範例物件沈浸（Immersion）物件沈浸（Immersion）Immersion （沈浸）允許當 AB 物件相互干涉時，告知是 A 物體沈浸在 B 物體內，使在進行計算時不會發生錯誤 每個物件仍是獨立的，不需要進行形狀上的修改 Remove 是 Immerse 回復指令 常用的模型： X prisms Clad fibers Flow sensors Light emitting diodes沈浸功能範例沈浸功能範例光纖 選擇第一個物件：包覆層（沈浸區） 選擇第二個物件：核心層（沈浸物） 沈浸 在Properties對話窗中的 Immersion分頁將可以得 知沈浸的相關資訊資料轉換功能資料轉換功能許多時候複雜的元件會藉由 CAD 相關的軟體來建構 資料轉換模組可以提供檔案的匯入與匯出，可接受的檔案模式包括： SAT STEP IGES CATIA 資料轉換資料轉換對於資料轉換的過程 LightTools 實體模型架構的軟體，每個物件都是實體 SAT、STEP 及 CATIA 都是實體模型架構 物件是實體，與LightTools的相容度高 IGES 的格式是面架構 物件是由許多無相關的面所構成的 匯入後必須再定義成物件，相容度相對的較低 在資料轉換前必須先知道的 檔案裡有哪些東西：物理模型、光線資料或參考面…等 哪些功能必須加諸的（3D Texture）模型匯入模型匯入開啟 3D 設計視窗 File > Import > 欲匯入的格式 選取檔案 匯入檔案 材料：fused silica (n=1.44524, V=67.795) 光學特性：Transmitted/TIR (100% transmitting)資料修復功能資料修復功能Edit > Imported Geometry > Repair Selected Geometry資料匯出資料匯出Export Selected Entities Only 使用者可以只匯出所點選的物件 Convert 3D Textures to Real Geometry 將建構好的3D Texture也匯出成實體形狀Section 5 光學特性設定Section 5 光學特性設定Why Optical Properties MatterWhy Optical Properties Matter光學特定定義光線能量與方向的改變 Example: H7 Automotive lamp表面顏色顯現的特性表面顏色顯現的特性在實體(Solid)或透視(Translucent)的編輯模式下, 表面的顏色表示光線在此表面的行進方向 顏色設定可自由變更(View Preferences, Surface Color tab)光線行進方向光線行進方向Transmitted: 光線依照材料折射率直接穿透折射 Reflected: 光線反射 Split or Both: 光線在表面分光, 部分穿透部分反射 Absorb: 光現在表面停止. “Mechanical” 或 “Optical” 設定意義相同. 光學特性定義的方式光學特性定義的方式物件材質定義 物件表面光學特性定義 材質設定材質設定利用對話視窗呼叫物件特性選單,設定材料 Edit -> Properties 使用者定義材料 Edit -> User Materials表面光學特性設定表面光學特性設定利用對話視窗呼叫物件表面特性設定視窗, 根據不同表面可以給定對應特性Smooth Optical 模式Smooth Optical 模式在定義 Smooth Optical 的表面上, 光線追跡滿足 Snell’s Law: n sin(θ) = n’ sin(θ’) TIR = Total Internal Reflection 全反射: sin(θ’) = [n sin(θ)]/n’ > 1.0 所有光線皆反射 光線由高折射率材料區域近入低折射率材料 Smooth Optical allows choice of Raytrace Mode (direction) Transmitted/TIR: 光線折射或全反射 Split (Reflect and Transmitted): 光線反射與穿透 Transmitted Rays Only: 光線只考慮穿透(折射),其餘終止 Reflected Rays Only: 光線只考慮反射,其餘終止 TIR Rays Only: 光線只考率全反射, 其餘終止定義能量的分配定義能量的分配光學特性的選擇決定光線行為, 能量的分配定義於進階選單內的分配設定 各方向的能量定義方式: 固定百分比率 根據不同特性計算出的浮動比例: Fresnel loss Coating 鍍膜 Polarization 偏振固定型能量分配比率固定型能量分配比率定義表面反射率與穿透率 LightTools 自動計算 吸收率 R + T + A = 100% 沒有光線追跡的方向仍可以定義能量分配比率 能量定義不影響先前光學特性設定的定義原則 (在設定只能反射的面上定義穿透能量,光線仍不會有穿透行為) Example: Raytrace Mode = Reflect Reflectance = 80% Absorption = 15% Transmittance = 5% 仍不會有光線穿透行為發生能量進階設定能量進階設定能量分配計算依據下列幾種方式: Fresnel loss: 依據入射角與折射係數 Coating: 穿透率與反射率定義為波長, 入射角, 或位置的函數 Polarizer: 線性偏振定義XY穿透及反射率, 其餘偏振模式使用固定R,T,A值Fresnel LossFresnel Loss在物體表面上,穿透能量的損失是入射角度的函數時, 稱之 Fresnel loss 能量以反射方式損失 只應用於無coating的表面 若表面鍍膜(coating)存在, LightTools 穿透反射率依照鍍膜對於入角角函數的設定 一般而言, 入射角越大, 越多能量由表面反射而損失User-Defined CoatingsUser-Defined CoatingsEdit > User Coatings Coating Example: X-PrismCoating Example: X-Prism利用兩個coating設定將光源依照RGB進行分光Zone_1 vs. BareSurfaceZone_1 vs. BareSurface常用於Lens設定 Front and rear surfaces 內建自動產生兩組 property zones Zone_1 BareSurface (Zone_1以外的區域) 每個 zone 可以定義不同的光學特性 預設值每個Zone相同 Zone_1 的大小,形狀,位置,方向可以自行定義 欲設值為整個表面區域 Example – 若一鏡片中心為反射邊緣穿透,則 BareSurface 設定為Transmitted , Zone_1設定為 reflectedBare Surface PropertiesBare Surface PropertiesBareSurface 包含所有Zone以外的區域 每個表面都會有BareSurface定義Zone_1 PropertiesZone_1 Properties可調整 zone_1大小 調整基準是相對於表面的座標系統其他光學特性項目其他光學特性項目Simple Mirror—等同Smooth Optical的鏡面反射 Absorber–Optical 或 Mechanical 相同意義(只有顯現顏色不同) Scattering 散射Scattering 散射光線傳播方式可以是穿透, 反射或兩者皆有 能量分配仍依照 Reflectance + Transmittance + Absorption = 100% 散設方向定義 大多數散射是以鏡向(specular)為中心分布 (specular: 依循 Snell’s 定律的方向) Simple ScatteringSimple Scattering3 Options: Lambertian Gaussian Cos NthLambertian Scattering 漫射Lambertian Scattering 漫射任意散射表面 (白色印刷網點) 每個散射方向的機率相同 散射依循表面的法線方向而非入射角 每個散射光具有相同能量Scattering Ray ControlsScattering Ray Controls適用於所有Simple Scattering Propagation direction: Transmitted Reflected Both Number of scattered rays 每一入射光散射後分開的光線數, 內定值為1 Polarized 散射光線與徑向光線偏振方向相同 Weighted raysGaussian 高斯ScatteringGaussian 高斯Scattering每一入射光線依據下列高斯公式分布散射 其中: P(θ) = 在 θ 方向的強度或輻射 Po = 軸向的強度或輻射 σ = 高斯分佈的標準差, 單位:度 常應用於 near-specular 或 narrow distribution 散射Gaussian Scattering 設定Gaussian Scattering 設定Sigma 值定義軸向散射角度的範圍 其餘設定 Fresnel Loss: Force Energy Conservation Distribution Intensity: 預設值 Radiance: BSDF 時使用Force Energy ConservationForce Energy Conservation光線經過散射分布的區域, 有時與物件表面有重疊 Force Energy Conservation設定則考慮此現象之計算 Yes: 入射光能量=所有散射能量; 散設分佈會些許變形 No: 能量損失於散射面進階散射模式進階散射模式四種進階模式 Complete: 同時考慮 diffuse (Lambertian) 與 near-specular 特性 Elliptical Gaussian: 定義在正交方向有不同高斯散射分布 User Defined: 定義散射角度與強度的相對關係, 基本上是環型對稱. 或是 BSDF (bi-directional scattering distribution function [radiance]) 數據 Angle of Incidence: 根據不同入射角定義不同散射模式Complete ScatteringComplete Scattering每個分支的總和為100當光線設定為 “Split” 或“Both”方向時有效Probabilistic Ray SplittingProbabilistic Ray Splitting一般而言, 同時存在反射與穿透特性時, 一條光線能量的計算同時會考慮反射及穿透. 光線會一直追跡至能量低於門檻或是達到最大命中數 對於多重分光的表面, 光線數會有倍數的成長 Probabilistic ray splitting 利用隨機運算方式定義光線在每個分光面是以反射或穿透的方式運行. Ex. 對一 Reflect/Transmit 表面, 反射率 R, 穿透率 T, 吸收率 A. 其隨機分光比率: Transmit = T/(R + T) Reflect = R/(R + T) Power weighted by (R + T)Probabilistic Ray SplittingProbabilistic Ray SplittingPoint and Shoot RaysPoint and Shoot Rays使用 Point and Shoot (或稱 non-sequential 或 NS) 觀察光線在物件表面上的作用情形. 每條光線起始能量 1.0 能量根據每個表面的穿透率與反射率定義而衰減 Ray, Ran Fan 或 Ray Grid 可以設定能量極限(Threshold) 光線能量低於threshold, 停止追跡 內定 threshold 0.01 (1%) Fresnel losses, scattering losses 或 bulk absorption 都被計算在內光線終止追跡光線終止追跡光線在下列三種狀況停止追跡光線終止條件光線終止條件Point and shoot 光線遇到下列任一情況時會停止追跡計算 光線沒有接觸任何光學表面 光線經過吸收表面 光線能量低於threshold 光線命中某一表面次數超過最大命中數(Max Hits) 光線經過一計算為全反射條件的表面, 但此表面只有定義滿足折射現象 光線經過一計算為折射條件的表面,但此表面只有定義滿足全反射現象 The ray diffracts into an evanescent diffraction order (sine of the diffracted angle > 1)NS-Ray光線特性NS-Ray光線特性在 NS-Ray設定中, 可以根據模擬的條件改變光線特性 波長, 能量門檻, 光扇特性 光扇定義區光線能量低於1%時終止追跡自動判斷光線 起始環境利用NS Ray資料分析利用NS Ray資料分析利用NS Ray即時更新的特性, 作設計初期trouble shooting的工具 預覽光線於系統內的形為模式 檢查確認表面及系統內的穿透率練習五: 光學設定與NS-Ray應用練習五: 光學設定與NS-Ray應用開啟練習四建構的檔案 設定光學特性 Lens材質設定為PMMA 反射罩表面設定Mirror, 反射率95% 在 xyz (0,0,3000)處建構一個1000×1000的Dummy Plane 製作ㄧ組 NS-Ray Grid: xyz (0,0,1)以Z軸為中心，發散角度 120度，Grid 11×11觀察 Dummy Plane 的光點分布 (Ray Print) 修改 LensRearSurface 表面特性(scattering, mirror, abosrb…,etc.)，觀察 Ray Print 變化 修改 NS-Ray Grid number 21×21, 31×31.觀察 Ray Print 變化 修改LensFrontSurface曲率半徑，觀察 Ray Print變化Optical Property ZonesOptical Property Zones建構表面特殊特性的方式有三: Property Zone: 單純的表面特性 2D Pattern: 印刷網點應用 3D Texture: 微結構的應用Property ZonesProperty Zones每一個特性區域皆可以設定獨立的表面特性,包括 scatter, grating, coating 等等 區域外型: Rectangle, circle, arcuate, ellipse等 黑白圖形格式(BMP): 黑色表示Zone區域, 白色表示BareSurface顯示 Property Zone顯示 Property Zone為了減少顯示卡負擔，LightTools® 內定將 Property Zone的顯示隱藏起來。2D Pattern2D Pattern模擬印刷網點特性 方向可以是矩形, 圓形, 橢圓形 排列方式: 矩形 六角最密 放射狀 多項式 放射狀多項式 Bezier List Mesh3D Textured – Example3D Textured – ExampleArray of Pyramid structureEasier and quicker to create micro-structured films such as BEFs 3D Structure converted to real geometry3D Textured – Bumps and Holes3D Textured – Bumps and Holes可以設計大量規律的 3D 微結構而不影響追跡時間(微結構以數學參數方式表示, 不會佔用大量系統效率) 無限制結構之數量(根據電腦的系統記憶體容量) 多應用於背光板設計 結構可以與模組一並輸出至CAD 3D檔案 (STEP, IGES, SAT or CATIA) 效率提升: Model 10" × 10" × 0.25" block 在10“×10” 表面有 1,000,000 個 R=0.01“ 半球 Computer 800 MHz PIII Dell laptop 512 MB RAM Test results Run 100,000 ray simulation = 2 minutes 1 second Reduced file size支援的結構元件支援的結構元件可支援的類型： 球體。 角柱體。 角錐體。 圓錐體。 圓柱體。 User Defined結構元件特性結構元件特性以圖表顯示，所有參數都可以修改。 樹狀列方式列出所有參數 可以選擇： 定值 多項式 列表結構的範圍與邊界結構的範圍與邊界平面以外的結構不會被描繪及進行光線計算！ 非矩形表面，通常邊界會超出要求的尺寸： 結構元件僅在現有的表面面積上被建立。 重疊的、貫穿的微結構都會被忽略。如何加入 3D Texture？如何加入 3D Texture？選擇任一個表面後按滑鼠右鍵。（A） 選擇物件後呼叫屬性對話窗 選多個表面（按住 Ctrl 鍵）後再按右鍵。（B） 透過 3D 設計視窗面板 必須要先選擇單一表面。（C）※注意※注意當建構一個 3D Texture 時，內定值為： 矩形排列 10×10 個微結構 多個 Zone 不可重疊 可能導致不準確的模擬結果。哪些可以參數化？哪些可以參數化？幾何形狀 大小、位置 外型、排列方式 凸出、凹陷大小與位置大小與位置X,Y 為表面上的相對座標軸 利用 UCS 座標軸！Section 6 定義光源Section 6 定義光源LightTools 光源LightTools 光源光源以幾何外型建構, 並且可以由任一表面或體積發射 光線非 polarized 光線任意的由光源表面產生 不限制光源數目6.1 光源種類6.1 光源種類四大光源類型 點光源 面光源 球面, 立方面,圓柱面, 環面 體光源 球體, 立方體, 圓柱體, 環狀 Ray Data 光源資料檔 Radiant Imaging的光源資料檔, 或是LightTools 的模擬資料光源特點光源特點點光源 點發光, 可定義角度分部光形 面光源 只能由3D光源物件表面發射 使用者可以獨立定義同ㄧ光源內每個面的發光表面特性(inward, outward, or both; on or off) 每個面都可以定義平面空間分佈或角度分佈的光形 Uniform, Lambertian, user-defined 體光源 光源由一封閉的體積內任一點發射 可定義體積空間分佈及角度分佈的光形 Uniform or user-defined Ray data 量測的結果 (e.g.: Radiant Imaging) 內容包含大量光線數據: XYZ, LMN, and 能量(Power)光源的特性光源的特性光源結構內部為空氣設定 光源結構的表面可以設定光學特性 每個光源可以獨立設定光譜特性 可同時控制表面特性, 空間強度分佈, 角度強度分佈 應用於複雜的光型建構 可建構複雜外型的光源-適用布林運算 球體, 立方體, 圓柱體, 環形6.2 建立光源特性6.2 建立光源特性建構光源要素 幾何形狀、位置 等同3D建構方式，適用布林運算 能量 Power or Lumen 光譜 User-Define, Gaussian, Blackbody 發光特性6.3 光源發光特性控制6.3 光源發光特性控制對大部分的光源模擬而言, 發光的型態不一定是均ㄧ性或全區域的(4p steradians), 因此必須針對光源的特性, 給予不同的發光特性, 以滿足光源實際的能量與方向分佈, 一般稱之為光形或配光曲線. 控制發光行為的方式有以下幾種: A. Trace Direction (inward/outward) – 適用於面光源 B. Aim Region (Aim Sphere or Aim Area) C-1. Angular Distribution (Power vs Angle) C-2. Spatial Distribution (Power vs Position)6.3-A Trace Direction6.3-A Trace Direction表面的發光可以是向內或向外發射 左邊三張圖分別代表圓柱面光源不同方式的發光方向 所有 outward (1) 兩端點 outward, 柱面不發光 (2) 左端 inward 右端 outward, 柱面不發光 (3)6.3-B Aim Sphere6.3-B Aim Sphere對光源中心而言, 光線可以向任意的方向發射, 依據光源特性的不同, 利用角度定義限制光源發射的範圍。 角度範圍根據ㄧ目標球體, 以相對於光源的Z軸為方向定義角度, 並以Z軸為中心作旋轉對稱。Aim Sphere Limits (1)Aim Sphere Limits (1)佈滿整個球體: upper = 0°, lower = 180°, alpha = any number, beta = any number佈滿上半球: upper = 0°, lower = 90°, alpha = 90°, beta = 0°佈滿下半球: upper = 0°, lower = 90°, alpha = -90°, beta = 0°佈滿正向20度角(半角10度): upper = 0°, lower = 10°, alpha = 0°, beta = 0°Aim Sphere Limits (2)Aim Sphere Limits (2)Lower angle of 90 degrees, Upper angle of 20 degreesLower angle of 45 degrees, Upper angle of 20 degrees6.3-C 角度分佈與空間分佈6.3-C 角度分佈與空間分佈較複雜的發光特性, 可以在每個面上獨立設定角度或空間與強度的分布關係 更進階的設定分為角度切趾法與空間切趾法Source ApodizationSource Apodization任何光源皆可以被切趾 (apodized) 成角度/空間的強度分布 光源的能量變化依位置或角度定義Photometry TypePhotometry TypeLightTools 使用Type CApodization 切趾法Apodization 切趾法切趾法: 在發光範圍內,利用角度或空間的定義方式切割成一個一個小區塊, 每個區塊可以定義不同的能量, 如此便可得到角度-強度或空間-強度的相對關係, 用於複雜的發光行為表現方式。 角度切趾:想像一個地球儀,表面依照經緯度被切割成無數的小塊。每個小塊 mesh 都是一組光線資料, 若將這些小塊的資料組合起來,就可以完整的發光分布。Apodization 檔案格式Apodization 檔案格式Data is applied to the source using a data file or by directly entering in the grid 副檔名為 txt 或是 apd ASCII 文字檔 檔頭部份必須包含: MESH: n m, 或 SPHEREMESH: n m 或 POLARMESH: n m, n、 m 代表切割的行列數目 U、V方向: Spatial Apodization- X,Y 座標方向 Angular Apodization- Longitude與Latitude方向Apodization 資料Apodization 資料在切割 n × m 的情況下, 必須有 n × m 組數據對應如下圖 內定的切趾範圍是以整個平面空間或球面方向填滿邊界區內 若邊界超過發光表面或球面, 超出的部份會自動被忽略 如果變界小於發光表面或球面, 邊界外的區域自動定義為零套用 Apodization 資料套用 Apodization 資料Angular Distribution or Spatial Distribution 設定為 User-Defined 在進階設定內可以將檔案直接匯入使用空間 Apodization 範例空間 Apodization 範例利用切趾法模擬區域遮蔽之光源 在V方向數列是 Vmax-to-Vmin 左上角為 Umin,Vmax÷角度 Apodization 對應圖角度 Apodization 對應圖角度 Apodization 範例角度 Apodization 範例LED example: HP HSMx-C650 Surface Mount LED角度 Apodization 檔案內容角度 Apodization 檔案內容 體積 Apodization體積 Apodization用於體光源設定 適用於複雜光源能量分布 Arc sources 體積 apodization 選項 Cylinder 旋轉對稱 Grid (User Defined) 任意分布 體發光圓柱形光源 (1)體發光圓柱形光源 (1)體發光圓柱形光源的切趾方式 利用 Aim sphere 限制主軸光線方向 (正交於光線輻射方向)#sample volume cylinder apodization file cylindermesh: 4 5 rmin: 1.0 rmax: 4.0 lmin: 0.0 lmax: 5.0 0 0 0.8 1.0 0 0 0.8 1.0 0.1 0.25 0.8 1.0 0.1 0.25 0.8 1.0 0.1 0.25 0.8 1.0RadialLength體發光圓柱形光源 (2)體發光圓柱形光源 (2)若平行光線沿Z 軸方向放射 Aim Sphere Lower Angle= Upper Angle=0 Alpha=0若平行光線沿Y軸方向放射 Aim Sphere Lower Angle= Upper Angle=0 Alpha=90旋轉對稱體發光自訂光源體發光自訂光源定義三維方向的能量分布 X 與 Y 的值即代表在 XY 平面二維矩陣的行列數 XY 矩陣數量即表示Z方向的切割數量 其餘平面(YZ,XZ)定義相同#sample volume grid apodization file 3Dregulargridmesh: 3 4 3 xmin: -1.5 xmax: 1.5 ymin: -2.0 ymax: 2.0 zmin: 0 zmax: 5 # xy matrix for first z layer 1 0 7 2 1 6 4 5 1 1 1 6 # xy matrix for second z layer 4 5 1 1 2 3 2 2 2 1 2 3 # xy matrix for third z layer 1 8 9 4 5 1 1 2 3 1 2 3練習六: LED 光源建構(1)練習六: LED 光源建構(1)利用下列的規格，建構LED模型 LED: 4mm × 4mm × 1mm, 座標(0,0,0) 光線沿Z軸方向 功率: 10 lum 光譜特性: Peak Wavelength: 530nm, FWHM: 35練習六: LED 光源建構(2)練習六: LED 光源建構(2)Section 7 接收面與圖表Section 7 接收面與圖表接收面與圖表- Overview接收面與圖表- OverviewLightTools 接收面可以同時計算不同計量特性 照度，輝度，強度，色彩 接受面以圖形方式輸出, 並能紀錄數值 接受面(Receiver)即模擬光感應器(檢測儀器) 光感應器接收光子 LightTools 接收面計算光線資料(Ray) 接收面類似 CCD (Charged Coupled Device) used as light detectors CCD 紀錄每個Pixel上的光子 接收面紀錄光線資料 (X,Y,Z, L,M,N, etc.) 接收面可以設定為輻射計量 (radiometric,預設值) 或光度計量 (photometric) 模式接收面與圖表- Overview接收面與圖表- Overview接受面的計算模式，是將接收面切割成許多矩形 “meshes” ，每個mesh接收計算光線資料。 每個Mesh代表矩形的網格(Bins)，每個網格可獨立記錄資料 網格的數目可以更改(同等解析度) 網格數越多，空間或角度的解析度越高 接受面資料以彩色圖表顯現 依照資料數據的相對比例，顏色上會有不同的變化接收面: Surface and Far Field接收面: Surface and Far Field接受面的形式 表面接收器 - Surface 遠場接收器 - Far field Surface receivers 表面接收器 形狀為矩形平面 附屬於表面上 (平面或非平面) 平面接受器投影在非平面的表面 可以建構輝度計 空間與平面 Far field receivers 遠場接收器 形狀為球體 假設於無線遠處 單一模型內只能有一個遠場接收器 可以設定為有限場空間 (finite far field) 可以同時有多個 finite far field接收面座標系統 (1)接收面座標系統 (1)Surface receivers 使用對應於表面的區域座標系統 利用UCSOnSurface即可得知表面接受器的座標系統接收面座標系統 (2)接收面座標系統 (2)Far field receivers 使用全域座標定義 下列系統表示: 三個分別往 X, Y, Z 方向的點光源，光錐分別為 20, 30, 40 度 (相同能量) (a)圖表示 “Longitudes” 對應於全域座標的關係 Longitude limits [0 at –Y, 180 at +Y, 270 at +X] Latitude limits [0 at +Z, 90 at +Y, 180 at –Z)接收面座標系統 (3)接收面座標系統 (3)Far field receiver 座標與角度切趾座標相同接收面 Meshes接收面 Meshes每個接收面可以同時包含不同形式的 “meshes” 不同 meshes 定義不同計量資料 Surface receiver Illuminance mesh (Irradiance, Illuminance) Intensity mesh (Intensity) Spatial luminance mesh (Luminance) Angular luminance mesh (Luminance) CIE meshes (Chromaticity and CCT) Far field receiver Intensity mesh (Intensity) CIE meshes (Chromaticity and CCT)限制接收面 Mesh 範圍 (1)限制接收面 Mesh 範圍 (1)Mesh 邊界範圍 一般而言會自動計算 可自行定義 (important in some cases to get enough bins) Angular limits can be defined for all meshes for a given receiver 照度 mesh 以長度定義邊界，強度 mesh 以角度定義邊界 Batwing LED with optics Very narrow distribution LED is emitting in +Y direction限制接收面 Mesh 範圍 (2)限制接收面 Mesh 範圍 (2)設定適當的邊界可以提高模擬解析度 Mesh bounds in