lighttools光学模拟讲义.ppt

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1、LightTools光學模擬講義STARSMAN7/31/20211WRITTENBYADAMLEELightTools是什麼？LightTools基本上是一種具有彈性及效率之光學系統模型化的工具，它可以利用蒙地卡羅光線追跡的技術做光-機結構間的模擬，它可以不必假設系統之對稱性，做單軸、全域、三維坐標的模擬。當光束穿越整個光學系統，光束可以自動地分裂為反射，折射，偏振光及散射的分量，當這束光穿越整個系統，光束可以包含物體任意的次序，獨立的根據物理可實施之路徑行進。這類的光線追跡一般稱為“無限制的”或“非序

2、列的”。LightTools所做的就是一個根據真實光線在真實世界裡的路徑的仿真模擬。7/31/20212WRITTENBYADAMLEE基本輻射度學及光度學概念輻射度學是關與任一波長的電磁輻射定量及量測.光度學是完全相同的事,但是限制在人類眼睛有反應的波長範圍.7/31/20213WRITTENBYADAMLEERADINANTFLUX輻射通量功率IRRADIANCE輻射照度每單位面積上的功率RADIANTINTENSITY輻射強度每單位立體角上的功率RADIANCE輻射亮度每單位面積,單位立體角上的功率

3、輻射度學的四個基本單位7/31/20214WRITTENBYADAMLEE光度學的幾個基本單位Luminousflux光通量功率Illuminance光照度每單位面積的功率Luminousintensity發光強度每單位立體角的功率Luminance亮度每單位面積,每單位立體角的功率7/31/20215WRITTENBYADAMLEE光通量輻射度學光度學物理量輻射通量(Radiantflux)光通量(Luminousflux)單位瓦特(Watt(W))流明(Lumen(lm))單位面積上的光通量輻射度學光

4、度學物理量輻射照度Irradiance光照度Illuminance單位W/m2lm/m2=Lux(lx)7/31/20216WRITTENBYADAMLEE單位面積單位立體角的光功率輻射度學光度學物理量RadiantIntensity輻射強度LuminousIntensity發光強度單位W/sr燭光Candela(cd)=流明/立體角單位立體角的光功率輻射度學光度學物理量輻射亮度Radiance光亮度Luminance或Brightness單位W/m2-srlm/m2-sr=cd/m2=nit7/31/2

5、0217WRITTENBYADAMLEE輻射度學與光度學的轉換一個candela發光強度的單位是定義為556nm的單色光光源在一定方向發出每立體角1/683瓦特的輻射強度流明是均勻的點光源發出一個candela的發光強度的光通量進入一個單位立體角7/31/20218WRITTENBYADAMLEE關與精確度人們經常問“光學模擬有多精確﹖”。這個當然是一位嘗試預測或解釋實務系統行為的實務工程師所必須要問的問題。LightTools做所有的計算都可以採用浮點運算的方式，但這並未告訴我們太多有關精確的問題。實際

6、的解答必須依賴下面兩件事。1.你的系統模型假設有多好？例如，你有精確的量測你的光學系統表面散射特性嗎？你有包含製造時的公差嗎？是否幾何光線追跡適合你的問題或你必須使用同調性光束或光束傳播方法去模擬同調性或繞射效應。如果不能準確的提供這些信息給光學軟體,你必須要犧牲一些參數來盡可能的趨進於現實,儘管這樣看來,這些被犧牲的參數可能與實際的參數相差較大.但這是為了提供更加接近現實而做的犧牲.2.追跡了足夠光線嗎？當應用“蒙地卡羅”描述法時，“機會”是（這是統計）趨近法中的必要元素。這期望中的精確是光束數目的函數

7、。在實務上，我們可以加倍光線追跡的數目，來看答案在預定的精度內是否達到穩定。若不穩定，則再增加光線追跡的數目。LightTools提供一個參數來幫助你評估這個精確度,這就是ErrorEstimateatPeak值,這個值越低,表示你的結果有可能越精確,適當的提高光線數目會減小這個值.當然,這一切只是有可能.具體的情況要看你的系統的具體狀況.7/31/20219WRITTENBYADAMLEE光線追跡的原理光線的概念幾何光線的概念對光學是非常重要的，至少從牛頓的時代以來，光線經常被形容為垂直光電磁波波前的射

8、線。對我們而言，光線的重要是在光線可以模擬電磁波能量（單位時間通過的能量或稱為光通量）。光線不是一個攜帶量子能量的光子，光線所代表的是光能量的連續傳遞。結果，光線追跡的結果代表的是穩定態的狀態。只要我們追跡夠多的光線，只要我們光學系統空間的尺度遠大於用於所模擬的光波波長，我們就可以假設系統與時間沒有相關，使用光線模擬來獲得高精度的真實光學系統行為預測。7/31/202110WRITTENBYADAMLEE光學模擬軟體中光線的概