1、光学系统设计 光学系统设计 物理系 物理系 王宇兴 王宇兴2 TracePro TracePro 主要内容 主要内容 光源的建立方法 光源的建立方法 各种参数的设定 各种参数的设定 分析功能的使用 分析功能的使用 档案转换 档案转换 模拟步骤 模拟步骤 准确模拟 准确模拟 分析功能 分析功能 提高运算速度 提高运算速度 应用实例 应用实例3 光学计算软件的计算方法 光学计算软件的计算方法 Ray Tracing Ray Tracing Sequential Ray Tracing Sequential Ray Tracing OSLO, OSLO, Zemax Zemax, , CodeV C
2、odeV Non Non- -Sequential Ray Tracing Sequential Ray Tracing TracePro TracePro, ASAP, , ASAP, LightTools LightTools BPM (Beam Propagation Method), FDTD BPM (Beam Propagation Method), FDTD 光波导, 光波导,DWDM DWDM等 等 BPM_CAD, BPM_CAD, WDM_Phasar WDM_Phasar 4 光学计算软件的计算方法 光学计算软件的计算方法 Sequential Ray Tracing(
3、Sequential Ray Tracing( 序列光线追迹 序列光线追迹 ) ) OSLO OSLO 属于序列描光 属于序列描光 以光学面建立模型 以光学面建立模型 单一光源或者对多光源的设置受到局限 单一光源或者对多光源的设置受到局限 需要设计者指定光学面的计算顺序 需要设计者指定光学面的计算顺序 各个光学表面仅计算一次(反射、折射、散射) 各个光学表面仅计算一次(反射、折射、散射) 计算速度快 计算速度快 可以进行优化和公差分析 可以进行优化和公差分析 主要应用 主要应用 成像设计、透镜,镜头设计 成像设计、透镜,镜头设计5 光学计算软件的计算方法 光学计算软件的计算方法 Non Non
4、 - - Sequential Ray Tracing Sequential Ray Tracing (非序列光线追迹) (非序列光线追迹) TracePro TracePro 属于非序列描光 属于非序列描光 以实体对象构建光路系统 以实体对象构建光路系统 光线与实体表面的作用顺序不需设计者指定 光线与实体表面的作用顺序不需设计者指定 光线与实体表面的作用可以同时计算反射、折射、散 光线与实体表面的作用可以同时计算反射、折射、散 射、吸收、衍射等行为 射、吸收、衍射等行为 需要足够多的光线数量以更接近真实的情况 需要足够多的光线数量以更接近真实的情况 计算速度比较慢 计算速度比较慢 不易做自动
5、优化和公差分析 不易做自动优化和公差分析 主要应用 主要应用 照明设计、杂散光分析 照明设计、杂散光分析6 TracePro TracePro 软件简介 软件简介 美国 美国 Lambda Research Lambda Research 公司产品 公司产品 一套符合工业标准的 一套符合工业标准的 ACIS ACIS 固体模型绘图软件做发 固体模型绘图软件做发 展的光机软件; 展的光机软件; 广泛引用于镜头杂散光分析, 广泛引用于镜头杂散光分析, 背光板设计, 背光板设计, LED LED 照明,灯具设计,车灯,投影显示器,扫描仪,医 照明,灯具设计,车灯,投影显示器,扫描仪,医 疗仪器等领域
6、 疗仪器等领域7 TracePro TracePro 软件简介 软件简介 目前版本 目前版本 4.0 4.0 包含主程序以及与其它 包含主程序以及与其它CAD CAD软件的档案转换工具 软件的档案转换工具 主程序包含 主程序包含RC RC, ,LC LC, ,Standard Standard, ,Expert Expert四个版本 四个版本 可以对真实场景 可以对真实场景(Photo realistic) (Photo realistic)进行计算 进行计算 和显示 和显示 具有众多的国内外用户群 具有众多的国内外用户群8 系统安装 系统安装 系统要求 系统要求 CPU CPU: :Pent
7、ium4 2.0GHz Pentium4 2.0GHz 系统: 系统:Windows2000/XP/Vista Windows2000/XP/Vista 内存: 内存:512MB 512MB( (2GB 2GB) ) 虚拟内存: 虚拟内存:2GB 2GB 硬盘空间: 硬盘空间:450MB 450MB 显卡:分辨率 显卡:分辨率1208*1024 1208*1024 显存: 显存:64MB 64MB以上,支持 以上,支持OpenGL OpenGL9 初始设定 初始设定 对计算机内存、虚拟内存的要求较高 对计算机内存、虚拟内存的要求较高 增加物理内存和虚拟内存的数量 增加物理内存和虚拟内存的数量
8、在进度大量光线计算时不要运行其它软件 在进度大量光线计算时不要运行其它软件10 初始设定 初始设定 菜单 菜单 Help Help About About 查看 查看 TracePro TracePro 版本 版本 ACIS Version ACIS Version 第一套使用 第一套使用ACIS ACIS核心的软件 核心的软件 可以顺畅的与其它造型软件进行文件的相互转换 可以顺畅的与其它造型软件进行文件的相互转换 菜单 菜单 Help Help Linsense Linsense 查看软件授权情况 查看软件授权情况11 初始设定 初始设定 打开安装目录下面的 打开安装目录下面的 Ellipt
9、icalReflector.oml EllipticalReflector.oml 文件 文件 在主界面中从不同角度观察模型, 在主界面中从不同角度观察模型, Zoom Zoom 使用各种渲染方式显示模型 使用各种渲染方式显示模型 Render Render Wireframe Wireframe12 初始设定 初始设定 数据库设定 数据库设定 TracePro TracePro 中表面(镀膜、散射、网点等)、实体(材 中表面(镀膜、散射、网点等)、实体(材 质、偏振、荧光等)特性都被存在统一的数据库中。 质、偏振、荧光等)特性都被存在统一的数据库中。 该数据库也保存了所有用户自定义材质等信息
10、 该数据库也保存了所有用户自定义材质等信息 材质相同 材质数据库 模型文件1 模型文件213 初始设定 初始设定 数据库设定 数据库设定 设定 设定TracePro TracePro数据库 数据库TracePro.mdb TracePro.mdb路径 路径 ViewCustomize ViewCustomize OML OML文件仅包含 文件仅包含 光路系统的部分信息, 光路系统的部分信息, 如果共享资料需要将 如果共享资料需要将 材质等参数导出成文 材质等参数导出成文 本文件。 本文件。 Tools Tools Database Database Export (F12) Export (F
11、12)将材 将材 料保存成 料保存成Excel Excel格式 格式 文件 文件14 软件设定 软件设定 Tracepro Tracepro 设定 设定 系统单位 系统单位 View/Preference View/Preference 单位:从其它 单位:从其它CAD CAD软件倒入时单位要一致 软件倒入时单位要一致 Ray Colors Ray Colors 光线颜色设定 光线颜色设定 用红、绿、蓝表示长波 用红、绿、蓝表示长波- -短波 短波 单一波长模拟时:代表光线 单一波长模拟时:代表光线Flux Flux,假设出射光线 ,假设出射光线Flux Flux为 为1 1,经过一些 ,经过
12、一些 表面反射、衍射后 表面反射、衍射后Flux Flux会降低; 会降低; 多波长模拟时:代表波长的长波、短波 多波长模拟时:代表波长的长波、短波 Demo/Color/SF6Prisim Demo/Color/SF6Prisim 示例 示例 用实际颜色表示光线 用实际颜色表示光线 的真实波长(红外、紫外部 的真实波长(红外、紫外部 分用黑色表示) 分用黑色表示)15 TracePro TracePro 模拟步骤 模拟步骤 OK NG16 建立模型 建立模型 TracePro TracePro 直接建立 直接建立 CAD CAD 文件转换或者利用 文件转换或者利用 Solidworks Br
13、idge Solidworks Bridge TracePro TracePro 与 与Solidworks Solidworks搭配很好,可以在 搭配很好,可以在Solidworks Solidworks做 做 所有的建模、光学特性设定,只需在 所有的建模、光学特性设定,只需在Solidworks Solidworks中调用 中调用 TracePro TracePro的描光功能即可。 的描光功能即可。 利用 利用CAD CAD软件,如 软件,如Solidworks, Pro/E, Catia, UG Solidworks, Pro/E, Catia, UG等建立 等建立 三维实体模型后导入
14、三维实体模型后导入TracePro TracePro 光学设计软件 光学设计软件 可以读取 可以读取Zemax Zemax, ,OSLO OSLO, ,CodeV CodeV的镜头文件。 的镜头文件。 导入光学部分,加入机构、光源 导入光学部分,加入机构、光源 用宏语言 用宏语言 Scheme Scheme 语言进行 语言进行 最早由 最早由MIT MIT开发,属于 开发,属于Lisp Lisp语言,功能强大,比较复杂 语言,功能强大,比较复杂17 建立模型 建立模型 信息栏 信息栏 鼠标在窗口移动,信息栏右侧部分显示当前位置 鼠标在窗口移动,信息栏右侧部分显示当前位置 鼠标左键单击,信息栏中
15、间部分显示单击位置的坐标 鼠标左键单击,信息栏中间部分显示单击位置的坐标 Insert Insert 菜单 菜单 透镜 透镜 菲涅耳透镜 菲涅耳透镜 反射镜 反射镜 遮光板 遮光板 导光管 导光管 基本实体 基本实体 文件中的部件 文件中的部件18 建立模型 建立模型 Insert/Lens Element Insert/Lens Element 插入透镜实体 插入透镜实体 Conic Conic:二次曲面系数 :二次曲面系数 cc=0 cc=0:球面 :球面 cc= cc=- -1 1:抛物面 :抛物面 cc cc- -1 1 双曲面 双曲面 - -1cc0 1cc0:椭球面 :椭球面 Ob
16、struction Obstruction:透镜是中间带孔 :透镜是中间带孔 Aspheric Aspheric:非球面系数 :非球面系数 选择实体 选择实体 在 在Object Tree Object Tree选中 选中 点击选择实体按钮 点击选择实体按钮 后直接用鼠标选择实体 后直接用鼠标选择实体 修改实体 修改实体 选中实体后, 选中实体后,Modify Modify () 2 2 cv 1 1 cv cc 1 r z r = + +19 建立模型 建立模型 模型建立方式的区别 模型建立方式的区别 TracePro TracePro内建模型计算最快 内建模型计算最快 其它 其它CAD C
17、AD文件导入模型的计算比较慢 文件导入模型的计算比较慢 例如:球面的建模方式不同 例如:球面的建模方式不同 TracePro TracePro内建的球面是通过球面半径、球心等参数建立 内建的球面是通过球面半径、球心等参数建立 其它 其它CAD CAD软件导入文件的球面则可能是很多点描述的球 软件导入文件的球面则可能是很多点描述的球 面 面 在计算光线与球面的反射、折射、散射等行为时不同建 在计算光线与球面的反射、折射、散射等行为时不同建 模方式需要的计算量区别很大。 模方式需要的计算量区别很大。20 建立模型 建立模型 反光杯建模 反光杯建模 Insert/Reflector Insert/R
18、eflector Conic Conic 二次曲面型 二次曲面型 3D Compound 3D Compound 复合反射表面 复合反射表面 Trough Trough 水槽型(二次曲线沿垂直线 水槽型(二次曲线沿垂直线Sweep Sweep得到) 得到) Rectangular Concentrator Rectangular Concentrator 方形反射面 方形反射面 Facetted Rim Ray Facetted Rim Ray 多面体反射面 多面体反射面 每个参数的具体含义可以通过及时帮助 每个参数的具体含义可以通过及时帮助 查询 查询21 建立模型 建立模型 Conic C
19、onic22 建立模型 建立模型 3D Compound 3D Compound23 建立模型 建立模型 Trough( Trough( 水槽型 水槽型 ) )24 建立模型 建立模型 Facetted Rim Ray Facetted Rim Ray 多面体反射面:指定光源位置、大小及目标位置、 多面体反射面:指定光源位置、大小及目标位置、 大小,可以自动生成多面体反射面 大小,可以自动生成多面体反射面25 建立模型 建立模型 Baffle Vane Baffle Vane 遮光板 遮光板26 建立模型 建立模型 Primitive Solid Primitive Solid 基本形状 基本
20、形状 Block Block Cylinder/Cone Cylinder/Cone Torus Torus Sphere Sphere Thin Sheet Thin Sheet27 建立模型 建立模型 Thin Sheet Thin Sheet 用于建立截面形状较复杂的实体模型 用于建立截面形状较复杂的实体模型 通过 通过Sweep Sweep、 、Revolve Revolve形成实体 形成实体 建立时每个端点要按顺时针或逆时针顺序依次输入 建立时每个端点要按顺时针或逆时针顺序依次输入28 建立模型 建立模型 Sweep Sweep 由 由 Surface Surface 沿指定方向扫出
21、实体 沿指定方向扫出实体29 建立模型 建立模型 Revolve Surface Revolve Surface 绕指定轴旋转形成模型 绕指定轴旋转形成模型30 建立模型 建立模型 布尔运算 布尔运算 只针对 只针对Object Object而不能用在 而不能用在Surface Surface上面 上面 首先选择一个实体,按住 首先选择一个实体,按住Ctrl Ctrl同时选中另外一个 同时选中另外一个 Unite Unite:实体相加 :实体相加 Abstract Abstract:实体相减:选择被减实体、再选择减除实体 :实体相减:选择被减实体、再选择减除实体 Intersect Inter
22、sect:实体交集 :实体交集31 建立模型 建立模型 对实体的移动和转动 对实体的移动和转动 菜单 菜单 Edit/Object Edit/Object Translate Translate 自由拖动(不准确) 自由拖动(不准确) Move Move Rotate Rotate Scale Scale Orientation Orientation32 CAD CAD 转档 转档 IGES, STEP, SAT, STL, Translator IGES, STEP, SAT, STL, Translator 由于 由于TracePro TracePro采用 采用ACIS ACIS核心,因
23、此对 核心,因此对SAT SAT文件支持最为 文件支持最为 完善 完善 可以直接读取 可以直接读取SAT SAT文件不需要转换。 文件不需要转换。 CAD CAD软件导入 软件导入TracePro TracePro时不能保存材料特性,在 时不能保存材料特性,在CAD CAD软 软 件中修改之后只有 件中修改之后只有SAT SAT文件可以保存材料属性信息。 文件可以保存材料属性信息。 CATIA, Pro/E Reader & Writer CATIA, Pro/E Reader & Writer Solidworks Bridge Solidworks Bridge 安装后可以在 安装后可以在
24、Solidworks Solidworks下建立模型、定义材质特性、 下建立模型、定义材质特性、 建立光源等操作;调用 建立光源等操作;调用TracePro TracePro进行描光和分析。 进行描光和分析。 Healing Healing 利用 利用 Healing Healing 修正模型错误,破面修补 修正模型错误,破面修补33 SAT SAT 文件格式 文件格式 在 在 TracePro TracePro 定义的模型的属性( 定义的模型的属性( Properties Properties ),用 ),用 其它 其它 ACIS ACIS - - Based Based 建模软件打开档案,
25、其属性仍然 建模软件打开档案,其属性仍然 存在;用建模软件修改模型后,再用 存在;用建模软件修改模型后,再用 TracePro TracePro 打 打 开 开 Properties Properties 不变 不变 可以存储在 可以存储在 SAT SAT 文件中的属性包括 文件中的属性包括 Material Properties Material Properties Surface Properties Surface Properties Surface Source Parameters Surface Source Parameters Importance Sampling Tar
26、gets Importance Sampling Targets Prescription Data Prescription Data Object and Surface Names Object and Surface Names Exit Surface for Simulation mode Exit Surface for Simulation mode SAT SAT 不能存储 不能存储 Analysis Analysis 菜单中定义的参数 菜单中定义的参数34 导入镜头设计软件的文件 导入镜头设计软件的文件 Insert Lens Design Software data In
27、sert Lens Design Software data OSLO OSLO Zemax Zemax CodeV CodeV ACCOS ACCOS Sigma2000 Sigma2000 File/Open File/Open 直接打开相应文件 直接打开相应文件35 TracePro TracePro 空间距离的测量 空间距离的测量 Tools/Measure. Tools/Measure.36 定义光学特性 定义光学特性 Apply Properties Apply Properties Material Material Surface properties Surface prop
28、erties 材质新增、修改 材质新增、修改 光学特性的编辑 光学特性的编辑37 定义光学特性 定义光学特性 材质新增、修改 材质新增、修改 增加一个 增加一个Catalog Catalog 在新 在新Catalog Catalog下面 下面 增加新的 增加新的Property Property Isotropic Isotropic:各向同性 :各向同性 U Uniaxial niaxial:单轴晶体 :单轴晶体 Add Add 可以增加波长、温度点 可以增加波长、温度点 对于列表中没有的波长、温度点, 对于列表中没有的波长、温度点, TracePro TracePro 采用 采用 线性内插
29、方式计算 线性内插方式计算 对于列表范围以外的波长、温度点, 对于列表范围以外的波长、温度点, TracePro TracePro 采用最近一点的值 采用最近一点的值 点储存将新建立的材料储存 点储存将新建立的材料储存38 定义光学特性 定义光学特性 材质新增、修改 材质新增、修改 也可以通过材料拟合公式的方式输入折射率公式系数 也可以通过材料拟合公式的方式输入折射率公式系数39 定义表面特性 定义表面特性 Surface Properties Surface Properties 在 在 Object Tree Object Tree 选择需要 选择需要 设定的 设定的 Surface Su
30、rface 在 在 Properties Properties 里面选择 里面选择 Surface Surface 页面 页面40 定义表面特性 定义表面特性 Surface Properties Surface Properties 设定散射模型 设定散射模型 BSDF (Bidirectional Scattering Distribution Function) BSDF (Bidirectional Scattering Distribution Function) BRDF(BTDF) Bidirectional Reflectance (Transmittance) BRDF(BT
31、DF) Bidirectional Reflectance (Transmittance) Distribution Function Distribution Function ABg ABg41 定义表面特性 定义表面特性 Surface Properties Surface Properties Retroreflector Retroreflector:棱镜反射器 :棱镜反射器 Polorization Polorization:偏振 :偏振 反射面 反射面 反射面 反射面 反射面 反射面42 定义表面特性 定义表面特性 Surface Properties Surface Prope
32、rties Fluorescence Fluorescence :荧光粉特性 :荧光粉特性 Prescription Prescription :光线与 :光线与 Surface Surface 的作用顺序,用于 的作用顺序,用于 Auto Auto Importance Sample Importance Sample RepTile RepTile :设定网点 :设定网点 Mueller Matrix Mueller Matrix :定义偏振器件, :定义偏振器件, Polarizers Polarizers , Wave , Wave Plates Plates Bulk Scatter
33、 Bulk Scatter :体散射特性(如大气散射,生物医学 :体散射特性(如大气散射,生物医学 检测等) 检测等) Color Color :设定模型颜色,透明度等 :设定模型颜色,透明度等 Temperature Temperature :设定温度特性 :设定温度特性 Gradient Index Gradient Index :渐变折射率材料 :渐变折射率材料43 RepTile RepTile 定义网点 定义网点 主要用于 主要用于 Back Light Back Light 首先建立导光板 首先建立导光板 编辑面属性中的 编辑面属性中的 RepTile RepTile 网点位置处表
34、面属性 网点位置处表面属性 Boundary Up Boundary Up : : 边界 边界 Y Y 方向矢量方向 方向矢量方向 Up direction44 RepTile RepTile 定义网点 定义网点 在 在 RepTile RepTile 属性对话框中点击 属性对话框中点击 View Data View Data 进入网点属 进入网点属 性设置界面 性设置界面 新建 新建 Property Property Bump Bump(凸起) (凸起),Hole ,Hole(凹陷) (凹陷) 网点形状 网点形状 Fernel Fernel、 、Cone Cone、 、Sphere Sph
35、ere、 、Prism Prism 网点分布形状 网点分布形状 Ring Ring、 、Rectangle Rectangle、 、Hexagonal Hexagonal 网点分布参数 网点分布参数 Constant, Variable Rows, Parameterized Constant, Variable Rows, Parameterized45 RepTile RepTile 定义网点 定义网点 网点距离参数 网点距离参数 iRow iRow 行编号变量 行编号变量 jCol jCol:列编号变量 :列编号变量46 RepTile RepTile 定义网点 定义网点 网点距离参数
36、网点距离参数 其它参数参考 其它参数参考 TracePro TracePro 用户手册 用户手册47 Surface Properties Surface Properties Thin Stack Thin Stack 膜层 膜层 1. 1. 建立膜层 建立膜层 Define/Edit property data/Thin Stack Define/Edit property data/Thin Stack 输入膜层具体参数 输入膜层具体参数48 Surface Properties Surface Properties Thin Stack Thin Stack 膜层 膜层 2. 2. 建
37、立 建立 Surface Property Surface Property 加入刚刚建立的膜层名称 加入刚刚建立的膜层名称 在 在 Type Type 列表中选择 列表中选择 Stack Stack 3. 3. 在设定面参数时可以使用刚刚加入的 在设定面参数时可以使用刚刚加入的 Surface Surface Property Property49 偏振计算 偏振计算 Demo/Polarization Demo/Polarization 示例 示例50 偏振设定 偏振设定 Demo/Polarization Demo/Polarization 示例 示例51 光源设定 光源设定 Grid
38、Source Grid Source 格子光源 格子光源 平行光、高斯光束、偏振光 平行光、高斯光束、偏振光 Surface Source Surface Source 各种灯泡、 各种灯泡、LED LED、荧光灯管 、荧光灯管 Source File Source File52 光源设定 光源设定 Grid Source Grid Source 格子光源 格子光源 4.0 4.0版本之前只能建立一个 版本之前只能建立一个 4.0 4.0版本之后可以建立任意多个 版本之后可以建立任意多个 Up Vector Up Vector 设定 设定 Y Y轴方位 轴方位53 光源设定 光源设定 Grid
39、 Source/Beam Setup Grid Source/Beam Setup Uniform flux/Weight position Uniform flux/Weight position对 对 于高斯光束,设定光线 于高斯光束,设定光线flux flux相同, 相同, 光线密度按照高斯分布 光线密度按照高斯分布 Uniform position/Weight flux Uniform position/Weight flux 设定密度为相同,光线能量按 设定密度为相同,光线能量按 照高斯分布 照高斯分布 Converge to Point Converge to Point 聚焦到
40、某点 聚焦到某点 Diverge from point Diverge from point 从某点发散 从某点发散54 Surface Source Surface Source 定义发光面,选择 定义发光面,选择 Surface Surface Properties Properties 里面的 里面的 Surface Surface Source Source 页面 页面 Angular Angular Lambertian Lambertian 余弦分布 余弦分布 Normal to Surface Normal to Surface 垂直于表面 垂直于表面 Surface Absor
41、ptance Surface Absorptance 自定义光强分布 自定义光强分布 Uniform Uniform 均匀分布 均匀分布55 Surface Source Surface Source Surface Absorptance Surface Absorptance 自定义光强分布 自定义光强分布 到 到Surface Surface标签页,点击 标签页,点击View Data View Data 进入编辑窗口 进入编辑窗口 新建 新建Property Property 输入 输入” ”角度 角度- -Absorptance Absorptance” ”参数 参数 在保存之前选择
42、 在保存之前选择Solve For Trans Solve For Trans保证能量守恒 保证能量守恒 对于非对称光源在 对于非对称光源在Type Type中选择 中选择 Anisotropic Anisotropic56 其它光源档案 其它光源档案 Radiant Image Source Model Radiant Image Source Model Source File Source File57 描光设定 描光设定 Analysis Mode Analysis Mode 计算光线在所有物体、表面上的位置、方向、 计算光线在所有物体、表面上的位置、方向、Flux Flux、偏振 、
43、偏振 等数据,并将数据存储在硬盘的数据库。 等数据,并将数据存储在硬盘的数据库。 光线信息最全,但速度慢,对硬件需求大 光线信息最全,但速度慢,对硬件需求大 随时可以分析各个面的光线数据 随时可以分析各个面的光线数据 “ “eliprefl.oml eliprefl.oml” ”示例 示例58 描光设定 描光设定 Simulation Mode Simulation Mode 选取一个 选取一个Exit Surface Exit Surface, ,TracePro TracePro仍然计算所有光线、面 仍然计算所有光线、面 的数据,但只存储 的数据,但只存储Exit Surface Exit
44、 Surface的光线数据 的光线数据 速度块,对硬件需求小 速度块,对硬件需求小 选取一个面 选取一个面Properties Properties的 的Exit Surface Exit Surface 在 在Analysis Analysis菜单选择 菜单选择“ “Simulation Mode Simulation Mode” ” TracePro TracePro提示哪些数据被保存,哪些数据不保存 提示哪些数据被保存,哪些数据不保存 Analysis/Raytrace Options Analysis/Raytrace Options,选择是否保存 ,选择是否保存Candela Candela 数据 数据59 描光设定 描光设定 设