Introduction to LightTools Training

Introduction to LightTools Training

Background Information
Section 1 Background Information

What is the LightTools? Core Module Illumination Module
4 Data Transfer modules – IGES, SAT, STEP & CATIA Imaging Path Module Optimization Module

LightTools Applications
Illumination Systems - Light pipe, Flat panel display, Automotive lighting Projection system etc. Stray light investigations - Veiling glare, Scattered light etc. Complex optic-mechanical layout Conceptual design and proposal Optical Design (With CODE V and Imaging path module)

LightTools 차이점 LightTools 와 기타 조명 광학계 프로그램과의 차이점
- CAD 와 사용법이 비슷하며 단시간 내에 학습이 가능 - LightTools 내에서의 기구 설계가 용이하고 CAD 에서 작업한 기구를 불러오기가 용이 - Polarization, scattering, Fresnel loss, user coating 등 이외의 여러 가지 성질을 적용 가능 - Point, surface, volume source 와 Ray data source 를 정의 - 여러 개의 Receiver 들을 원하는 어떤 면에 라도 설치 가능 - Irradiance, intensity, luminance & color calculations 등을 위한 Monte Carlo 식의 Ray trace - Macro 사용 가능 COM interface (Visual Basic, Excel/VBA, etc)

Training Goals LightTools 의 환경 설정 모델을 설계, 변경 학습
모델에서의 Optical properties 변경 학습 CAD 와 호환 가능 Simulation 을 위한 기능들의 이해 Simulation 을 위한 광원과 Receiver의 정의 분석 등등

Fundamentals

조명광학계 물리량

Radiometry? Photometry?
빛의 광학적 복사량을 측정 3X1011 Hz 에서부터 3X1016 Hz 의 범위의 전자기적 복사에너지 (Electromagnetic radiation) 을 측정. 이 주파수 범위는 10 nm 에서 1000 um 사이의 파장과 대응하므로 우리가 자외선, 가시광선, 적외선이라 부르는 영역이 포함. Photometry ; 전자기적 복사에너지 중에서 인간의 눈으로 감지할 수 있는 범위의 빛을 측정. 즉, 빛이라고 하는 모든 것 중에서 가시광선(Visible Light) 영역인 380 nm ~ 760 nm 의 범위만을 측정하는 것. 인간이 감지할 수 없는 자외선(Ultra Violet) 이나 적외선 (Infra Red)은 포함되지 않음.

Radiometry? Photometry?(2)
눈으로 볼 수 있는 빛 (가시광선)

Radiometric vs Photometric

Photometry Quantity(1)
광속 ( Luminous Flux : F ) - 광원에서 나오는 빛의 총량 ( Flux ) - 단위 : lm ( Lumen ) - 1 lm 은 1 cd 의 점광원으로부터 1 sr 로 방사된 광속 광도 ( Luminous Intensity : I ) - 광원에서 일정한 방향으로 발산되는 빛의 강도( 세기 ) - 단위: cd ( Candela ) - 서로 다른 광원을 비교하거나 그 세기를 측정하기 위해 사용되어짐 광속( lm ) 과 광도( cd )의 관계 ; Point Source 일 경우 ` I : 광원의 평균 구면 광도 (cd) F : 광원으로부터 방사된 광속(lm) W: 광속을 포함하는 입체각 (r) 1 cd = 4Π lm

조도( Illuminance : E ) - 광원으로부터 어떤 특정한 면에 도달하는 광속의 전체 양 - 일종의 빛의 밀도로서 면 자체의 밝기를 표시 - 광속을 면적으로 나눈 값 - 단위 : lux 또는 fc ( foot candela ) - 반지름이 1 metet 또는 1 feet 인 구의 중앙에 점광원이 있을경우 (1) fc : 1cd 의 점광원으로부터 1 foot ( 반지름이 1 feet ) 떨어진 곡면에 비추는 빛의 밀도. ( 1 lm / ft2 ) (2) lux : 1 cd 의 점광원으로부터 1 meter( 반지름이 1 meter ) 떨어진 곡면에 비추는 빛의 밀도 (3) 1 fc = lux E : 면의 조도 F : 면에 도달하는 광속의 총량 A : 면의 면적

휘도 ( luminance : L ) - 빛을 발하거나 반사하는 표면의 밝기 - 단위 : nit ( cd / m2 ) - 디스플레이에서 밝기를 표현할 때 사용 - 디스플레이에서는 시청자의 눈으로 느끼는 화면의 밝기가 중요하므로 단위 면적을 고려하여 nits(cd/m2)라는 표현을 사용. 광원 자체의 밝기는 lm 과 lm / w ( 발광효율 ) 로 표현 - lm/W(발광효율) : 사용되는 전력에 대해 얼마만큼의 빛을 방출하는 지, 즉 효율을 나타내는 양 - 예를 들어 3.2V, 20mA 전력을 소모, 2lm의 빛이 나오는 광원의 효율은 31.25lm/W [=2lm / (3.2V × 0.02A)] PDP 모듈 : 1000nits PDP TV : nits 유기EL : 80nits LCD : 450~600nits

Radiometric to photometric Conversion

Photometry Relationships

Symbol & Unit Irradiance Illuminance Luminance Radiance Intensity
W/ m2 Ee watt/meter2 Irradiance lx Ev lux Illuminance cd/ m2 Lv candela/meter2 Luminance W/(m2 sr) Le watt/(meter2 steradian) Radiance W/sr cd I Ie watt/steradian Iv candela Intensity Radiant intensity Luminous intensity W/m2 lm/m2 M Me watt/meter2 Mv lumen/meter2 Existence Radiant existence Luminous existence W lm Φ Φe watt Φv lumen Power Radiant power Luminous power Unit Symbol Term

Reflection Incident angle = Reflected angle a.매끄러운 면- 전반사 b. 거친 면- 난반사

Snell’s Law Snell’s Law

Section 2 Flashlight Example

A Virtual Flashlight LightTools 를 알 수 있는 가장 간단한 모델
- 모델 설계, 변경, Ray Tracing, Surface properties 그 외 기본적인 Illumination calculation 등.. 참고 : LightTools Introductory Tutorial manual

Concepts & Interface

Basic concept for LightTools
Element base - 기존의 광학설계 프로그램과 다른 접근 - 3D Solid Objects - Objects 의 모든 면은 각각 다양한 optical properties 설정 Geometrical ray tracing - Geometrical ray tracing 은 거의 모든 광학 분석 프로그램의 기본원리 - Non-sequential(NS) ray tracing 은 언제 어느 위치에서든 시뮬레이션과 같은 실제 빛의 경로와 특성을 확인 - LightTools 에서 ray tracing은 scattering, ray splitting 등 특별한 특성의 시뮬레이션 가능

Views in LightTools LightTools 3D design view : main view
- 기준 좌표계를 중심으로 4가지 형식의 View point 로 구성 3D design view : main view - Windows 형식의 대화창으로 다양한 Data를 입력 Windows 와 유사한 탐색기 - System navigator, Window navigator 특별한 경우에 맞는 Views - 2D Design view - Imaging Path view (Imaging Path Module)

Surface Properties 실제 모델을 LightTools 에서 설계 했을 경우, 광학적 분석을 위해
모델의 모양이나 매질 이외의 광학적 특성을 입력 Surface properties 또한 중요 - Surface 모양은 planes, spheres, toroids, aspheres, splines 등의 형태로 구현 가능 - Surface에서 smooth(specular), reflecting or refracting, scattering, absorbing, coating 등의 특성가능 - Color coding ( Shade view ) : 면의 종류를 구별 예) 파란색 : 굴절면, 은색 : 반사 등.. 각각의 면은 기본적으로 Basic property(bare surface)를 가짐 또한 하나 이상의 property zone을 설정 가능

View Preferences (3D) File > New Model > 3D Design
View > View Preferences Grid tab - Snap to Grid - X, Y = 0.1 mm 3D_untitled 에서 마우스 오른쪽 버튼클릭 > Save View Environment

Preference – General, Defaults
Edit > Preference General Preference > System tab - Unit : mm - Radius mode : Radius 적용 General Preference 에서 오른쪽 클릭 > Save General and Defaults

Building a Model

The Flashlight Spec. – Lamp source (Library 이용)
직경 106 mm faceted reflector Plastic window 목표 mm 거리에서 거의 균일한 spot을 형성

Flashlight 의 구성 도면

Start New 3D Model LightTools 실행 File > New Model > 3D Design

Interface Elements

Mouse Button 왼쪽 버튼 오른쪽 버튼 - Context menu 열기 ( Properties 등 )
- 대부분의 윈도우 프로그램과 유사한 역할 - 모델 선택, 메뉴 중 선택 등 오른쪽 버튼 - Context menu 열기 ( Properties 등 ) - 모델의 회전 ( 버튼을 누른 상태로 Drag ) - 모델의 확대 축소 ( Control key + 오른쪽 버튼 ) 확대 : 마우스를 위쪽으로 Drag 축소 : 마우스를 아래쪽으로 Drag - 모델의 시점 이동 ( shift key + 오른쪽 버튼 )

Prepare for Plastic Window
마우스의 역할을 이해하기 위한 좋은 예 Plastic window의 매질과 기타 다른 속성을 변경 3D View > One pane - 오른쪽 하단의 pane 을 선택 (붉은색으로 표시 됨) - View > Pane Layout > 1 Pane 또는 Toolbar 마우스를 이용하여 축소 - Ctrl + 마우스 오른쪽 버튼을 누른 상태에서 드래그 - 마우스 휠버튼

Create Plastic Window 오른쪽 그림과 같이 순서 데로 ‘3 point lens’ 선택
X=0, Y=0, Z=30 클릭 - 좌표 값을 이용 - 정확한 값을 입력할 필요는 없음 (Properties dialog에서 수정 가능) Diameter 105 mm Lens 의 두께를 정의 두께 정의 시 Snap (Properties>Snap...) 기능을 이용하면 편리

View & Open Properties 오른쪽 마우스 버튼을 이용하여 회전, 확대, 축소 등을 실행
오른쪽 마우스 버튼을 이용하여 회전, 확대, 축소 등을 실행 - View > Render Mode - Side view 로 돌아가기 위해 toolbar icon을 이용 Y-Z plane Click Fit view 왼쪽 클릭으로 lens 를 선택 > 오른쪽 클릭 > Properties

Object Properties - Name
Navigator tree, 오른쪽 페이지에는 여러 가지 Tab이 존재 (object에 따라 달라짐) 각각의 Object 의 이름을 변경하는 것이 유용함. - Object 에서 오른쪽 클릭 > Rename - 원하는 이름을 입력 > 적용

Object Properties – position
Navigation tree 에서 변경한 window 클릭 Coordinates tab 선택 - X=0, Y=0, Z=30 - 모든 각도= 0 적용

Object Properties - Material
Default material - Schott Glass BK7 Material tab - Catalog : Plastic - Material : PMMA 적용

Object Properties - Geometry
Lens Primitive 선택 - 각각의 면과 Zone들이 있는 것을 확인 Geometry tab - Circular Diameter : 105 mm - Thickness : 2.8 mm 적용

Surface Properties - 1 Expand 클릭 ( + 표시 )
선택한 Object 의 모든 면의 Properties 의 목록을 볼 수 있음 ; Default – Smooth Optical

Surface Properties - 2 Smooth Optical tab 클릭
- Smooth Optical surface 는 refract, reflect, split 등의 속성을 가질 수 있음. - front surface 의 default 값은 “Transmitted/TIR Rays”

Edge Properties Edge Surface 의 기본색깔은 노란색 - 노란색 : Absorbing 을 의미 TIR 변경
- Molded, polished 또는 Lambertian Scattering 이 일어난다면 TIR 로 변경 TIR 변경 - EdgeSurface > BareSurface - Smooth Optical 선택 - 적용 - Smooth Optical tab 이 생성

Boolean Operations 기타 CAD 프로그램을 이용하지 않고 LightTools
내에서 Elements 를 만드는 다양한 방법. - Subtract, union, trim, intersect 등 CAD 를 사용하는 것 이외의 방법 - Utility Library 를 사용 - 시간절약 - 설계의 편리성

Boolean Operations - Hole
Subtract : 선택된 물체들 사이의 겹치는 부분을 제거 Hole 만들기 - 앞에 만든 lens 와 겹치게 Cylinder 를 그림. - lens 를 먼저 클릭 - Shift key 를 누른 상태에서 Cylinder를 선택 - Subtract 클릭 A B A-B

Boolean Operations - Trim
- Object 를 원하는 만큼 자를 때 사용 - Object 선택 > Trim Solid 선택 - 원하는 Trim point 클릭 ( 두 번의 클릭으로 구성 )

되돌아 가기 – Undo Edit > Undo - 바로 이전에 했던 명령을 취소 Unbool
- 바로 이전에 했던 명령을 취소 Unbool - Boolean Operation 을 하기 전의 Object 로 돌아감.

Workshop 1 – Create an Element
LightTools 실행 단위 : mm , Grid Snap : 0.1 mm Plastic element - 위치 : X,Y,Z = 0,0,30 - 각도 : 0,0,0 - Circular Diameter : 105 mm - Thickness : 3 mm - Material : Polycarbonate - Front surface : flat - Rear surface : Convex radius : 900mm

Faceted Reflector

Make a Faceted Reflector
오른편의 Elements panel 에서 다양한 광학 Objects 를 만들 수 있음. ( Macro 이용 가능 ) - lenses, mirrors, folds, geometric solids, dummy surfaces, surface patterns, textures 등등 - LightTools Introductory Tutorial 에서 Flashlight 참조. ( Smooth parabolic mirror ) LightTools 에 있는 Utility 를 이용하여 Faceted Reflector 를 제작.

Running Utilities 몇 몇 특별한 작업을 위한LightTools 에서 제공되는 기능
- Visual Basic 으로 구성 Tools > Utility Library - 새로운 창이 생성 Geometry > Faceted Reflectors 선택 적용

Faceted Reflector Options
Source/Receivers 선택 필요에 따라 각 상황에 맞는 Source 를 생성할 수 있음 모든 설정을 그림과 같이 공란으로 설정

Faceted Reflector Geometry
Reflector Geometry tab 에서 여러가지 다양한 facet pattern 을 만들 수 있음. Default 값을 이용 단지 dimension 과 target 만을 변경

Reflector Values Rim radius : 53 mm Hole for lamp : 5.6 mm 필요하면 이름을 변경
Target Z : 300 mm Target half size : 50 mm Create Facets Button 클릭

Command Line LightTools 에서 명령 또는 어느 한 지점을 입력하기 위해 클릭을 할 때, 아래쪽에 있는 Command Line 을 주시 주로 Object 를 그릴 때 사용 Command Line에 직접 원하는 명령어나 value 를 입력 가능 Prompt 는 항상 다음 단계에 입력 할 Value 를 표시 Command Line 에서 Space bar (한 간 띄우기) 는 Enter를 의미

Wire Frame & Ray Tracing
View > Render Mode > Wire Frame Ray Grid 선택 Command Line에 xyz 0,0,0 입력 위, 아래의 모서리를 각각 클릭

Add Dummy Surface Dummy Surface 는 2D Object 로 되어있으나 광학 특성은 가지고 있지 않음.
Dummy Surface 를 선택하고 Command Line에 xyz 0,0,300 입력 Command Line 에 xyz 0,0,350 입력 - 마우스 작업으로 생성 가능 - 50 mm 의 차이 ( 생성되는 Dummy Surface 의 half width)

Zoom Control key + 마우스 오른쪽 버튼 + 상, 하 Drag 단축 버튼
다시 원래 화면, 또는 한 화면에 Object 를 다 보이게 하는 단축 버튼

Dummy surface 에서의 Ray 분포
Ray print 선택 Dummy surface 부분을 확대 Dummy surface 선택 Ray 분포에 관련된 새로운 창이 생성

Move Reflector 이동시키고 싶은 Object 를 선택 Move command 선택 단축 버튼
- 새로운 아웃라인으로 대상물이 생성 - 이동시키고 싶은 위치에서 클릭 단축 버튼

Ray Properties Ray 또한 일종의 Object - 모든 ray 에 대한 정보가 생성
네비게이터에서 가장 상위의 항목을 선택 - Properties tab 에서 ray 의 개수와 간격을 변경 가능 - Ray 의 색을 변경 가능 ( Display tab )

Work shop 2 : Create Reflector
Faceted Reflector Utility 를 이용 - Rim radius : 53 mm - Hole : 5.3 mm - Target Z : 300 mm - Target half size : 50 mm - Plunger Trim Option : Rectangular Dummy Surface : 100 X 100 mm Z = 300 Save

Illumination Analysis

Illumination 최소 하나 이상의 Light Source와 Receiver 가 필요
이러한 조건이 만족 되었을 때 LightTools 에서 Ray Tracing 이 가능 Source modeling 은 최소 2일의 과정 Library 에 있는 file을 이용하여 Flashlight 에 적용

Insert Lamp Flashlight 의 lamp model은 LightTools 에서 제공되는 file 로 제작
- 이 lamp model 은 toroidal source 를 포함 - illumination properties 는 미리 정의되어 있음 - LightTools에서 원하는 램프나 광원을 직접 제작 가능 File > Restore Library - c:\Program files\Optical Research Associates\LightTools 6.0.0\Tutorials - KPR103.1.ent 선택

Entering Library Elements
Command 창에 순서 데로 입력 - Scale Factor : 1 - Indicate Position : xyz 0,0,0 - Indicate Z axis direction : xyz 0,0,1 (Z축 상의 한 점의 좌표) - Y axis position : Snap > 90 Degrees (좌표 입력 시 Y축 상의 한점을 입력) 필라멘트의 좌표는 0,0,0 으로 Lamp 가 삽입 됨.

Lamp 확인 View > Render Mode > Translucent Lamp 확인 – 회전, 확대 등
Source 선택 ( active part ) Properties 창 열기 - System Navigator 이용이 편리 - 오른쪽 마우스 버튼 Properties 선택

Source Properties Source Properties에는 많은 Tab 이 있음
- Emittance 창에서 오른쪽 버튼 > Open Tab in a New Window 선택 - 동시에 여러 개의 창을 확인 할 수 있음 Source 의 Photometric Flux가 약 37 lumen 임을 확인

Receiver 설치 Data 분석을 위해 최소 1개 이상의 Receiver 가 필요
Receiver를 Dummy surface 에 설치 - Dummy surface 선택 - 오른쪽 클릭 > Add Receiver 선택 Receiver 가 생성 된 것을 확인

Illumination Setting 일반적으로 실제의 시뮬레이션 전에 작은 수의 Ray 를 미리 쏘아서 실제 보면서 경향성 등을 확인 다음과 같이 실행 - Ray Trace > Simulation Input - Total Ray to Trace : 200 - Show Preview : Check 적용 , 확인

Preview Illumination Run
Ray Trace > Begin All Simulation 또는 클릭 - Monte Carlo : Source 로 부터 Random 한 방향과 각도로 Ray 가 발산

Dummy Surface 설정 일부 Ray는 Dummy Surface 에 도달하지 못함.
만을 고려하여 분석 할 수 있음 Dummy Surface선택 > Properties > Control Tab Clip Rays to Boundary 선택 적용, 확인

Simulation 200개의 Ray로는 정확한 Simulation 결과를 얻기 어려움
Ray Trace > Simulation Input - Total Ray to Trace : 20,000 - Show Preview 설정을 취소 ( 느려짐 ) Begin All Simulation

Scatter Chart Ray preview 없이 즉시 Ray 가 어떻게 나아가는지 확인 할 수 없음
- Data 는 저장되고 있음 - 확인을 위해서 Chart 를 이용 주로 Scatter Chart 를 이용 Analysis > Illuminance Display > Scatter Chart Ray 가 Receiver의 거의 모든부분에 퍼짐 ( 좋음 )

LumViewer Illumination 에는 여러 가지 종류의 Chart 가 있음 - Spatial & Angular 분석
- Illuminance, Intensity, Luminance 등 이 중 Illuminance를 위해 가장 유용한 Chart 가 LumViewer LumViewer 확인 - Analysis > Illuminance Display > LumViewer

LumViewer Basic LumViewer 는 Illuminance 의 false color plot 을 나타냄
- 오른쪽 버튼 : 회전, 확대 - 왼쪽 버튼 : Cross Section Cursor 의 이동

LumViewer Properties LumViewer Chart 에서 오른쪽 클릭 > Properties
- Color, Labels, Chart type 등 - Grid line 적용가능

Trace More Rays 20,000의 Ray는 5 X 5 의 Bin 으로 Simulation
Illumination > Simulation Info > 100,000 의 Ray 를 입력 Rerun Simulation 또는 이 Simulation 결과는 11 X 11 의 mesh 로 구성 됨

결과 확인 실제 결과가 얼마나 정확한 값인지 확인
- Illuminance mesh 의 각 bin 에 몇 개의 Ray 가 모였는지에 따라 달라짐 System Navigator > IllminanceMesh 오른쪽 클릭 > Properties

Mesh Properties & Results
Properties 와 Results 두개의 Tab 이 있음 - Automesh 로 설정되어 있음 ; 자동적으로 Error estimate 를 5% 이내로 맞춰 줌 - 약 48,000 개의 Ray 가 모임 - Total flux 확인

좀 더 사실적으로..

불완전한 Reflector Default 에 의해 현재 제작한 Reflector는 완벽한 Reflector (100% 반사)
실제 이런 Flashlight Reflector 현실적이지 않음 - 반사율과 지향성이 떨어짐 - 저렴한 Flashlight Gaussian scattering 을 이 모델에 적용 - 다소의 빛이 주변으로 흩어짐 - 반사율을 90 % 로 조정

Edit All Selected Reflector 는 Boolean Operations 에 의해 많은 부분으로 구성되어 있음
- Reflector의 모든 property zone 을 변경 - Shift + click 번거로움 좀 더 빠른 방법 - Object 를 선택 - 오른쪽 버튼 > Edit All Selected > Property Zones

Edit All Selected ( Dialog )
모든 Property zone 이 선택 되어짐 Simple Scattering 선택 > Gaussian 새로운 Gaussian Tab 이 생성

Edit All Selected ( Gaussian )
Reflectance : 90 % Gaussian Spread : 0.85 degrees 확인 > Save Re-run simulation

Results (Gaussian ) Gaussian 과 반사율의 감소로 인해 Flux 또한 감소 AutoMesh : 9 X 9
Total flux : 15.7 lm ( 이전의 결과에서는 18 lm) 47600 개의 Ray

Flashlight Body Flashlight Body 는 광학적 특성을 지니고 있지 않음
- LightTools 내에서 광학적 특성 입력 가능 - Data exchange module 을 사용하여 CAD file을 이용 ( STEP file ) STEP file 은 TIR Surface (파란색) 로 나타남 Edit All Selected > Property Zones - Absorb > Mechanical 로 선택 - Flashlight Body의 색이 붉은색으로 변경 됨

Data Exchange 사용 File > Import > STEP 선택
FlashbodyStep.stp file 선택 Default 를 유지 적용 > 확인

Edit All Selected…. Flashlight body 선택
Edit All Selected > Property Zones Absorb ; Mechanical 로 변경

Conclusions LightTools 내에서 Optical, Mechanical Object 를 만들 수 있고 또한 CAD 에서 제작한 모델을 Import 할 수 있음 여러 가지 방법으로 Object 의 Properties를 수정할 수 있음 Illumination analysis 는 Source 와 Receiver가 필요

Section 3 Object Geometry

Command Panel LightTools 는 많은 도구들(tools)을 포함 총 3개의 Palette 로 구성
1st palette : Category LightTools 는 많은 도구들(tools)을 포함 총 3개의 Palette 로 구성 - 1st palette Category ; 주요 Category - 2nd palette Category - 3rd palette Category 2nd palette : Subcategory 3rd palette : 실제 명령

Object 입력 LightTools 는 Solid – base
- 가장 작은 최소 단위의 element 라도 Edge 를 포함 - 모든 Object 는 surface 를 가지고 있음 “Primitives” 로 부터 LightTools Geometry 는 만들어짐 - Primitive shapes : Sphere, block, toroid, prism 등 - Primitive는 complex objects 의 형태로 결합 됨

Basic Primitive Shapes
Cube Sphere Cylinder Toroid Ellipse General - Extruded Revolved

Prompts 입력 클릭 Point 1 클릭 Point 2 클릭 Point 3 3 번의 마우스 클릭으로 Block 이 생성

Command Line 마우스로 클릭을 할 때 (예; Block), LightTools Command Line 에 클릭하는 지점의 좌표가 입력 됨 - 직접 Command Line 에 입력 가능 많은 command 들이 각각의 점을 입력하는 방식으로 구성 몇 몇의 command 들은 각 각의 점들을 입력 하는 것 이외에도 다른 값을 입력하는 경우도 있음

Console Window Console Window는 LightTools 에서 가장 상위의 window (닫을 수 없음)
모든 과정들이 기록

Error Window 일련의 과정을 수행 중 발생하는 Error 가 기록 됨 항상 LightTools 하단에 위치
Resize, 닫기 가능 - 만약 Error Window 를 닫는다면 실제 error 가 발생했을 때 자동적으로 이 창이 열리지 않음

Optical Elements Optical Elements 시작 매질은 BK7 glass (default)
Surface properties 는 각 Elements 마다 특성이 다름 - Singlet lens ; front & rear surface : transmissive absorbing edge

Lens Surface Shapes 다양한 Surface Shapes 지원 – Sphere (default) – Conic
– Polynomial asphere (20th order) – Anamorphic asphere (20th order) – Odd polynomial asphere (30th order) – Cylinder (X or Y) – Toroid (X or Y, with 20th order aspheric profile) – Zernike polynomial – XY polynomial – Superconic – Spline Patch and Spline Sweep

Reflector 일반적인 Reflector 를 제작 가능 - Type : Revolved & Trough
- Geometries : Parabolic Elliptcal Hyperbolic - 입력 : Diameter 또는 Depth 첫번째 초점과의 거리 초점들 사이의 거리

Workshop 3 – Parabolic Reflector
- 첫번째 초점과의 거리 : 5 mm - Reflector Diameter : 25 mm (; Height, Width = 25mm)

Workshop 3 – Parabolic Reflector (2)
LightTools 에서 Reflector의 초점은 원점(기준좌표) 으로 맞추어져 있음 Parallel fan ray를 Reflector에 입사 Reflector 의 front surface 의 shape를 변경 ( properties dialog box 이용) ray 의 경로가 어떻게 바뀌는지 확인 - Conic constant 를 변경 - Shape 를 Spherical 로 변경

Extruded & Revolved Solid
대부분의 LightTools 의 기본적인 Object 는 몇 번의 마우스 클릭으로 만들 수 있음 Extruded & Revolved Solid 는 복잡한 일련의 과정(정해진 축 또는 길이에 따라 성형 되어짐) 을 통해 만들 수 있음 각각 Optical, Mechanical Object 로 구현이 가능

Extruded Prism 입력 단계

Revolved Prism 입력 단계

Workshop 4 – Extruded Reflector
Extruded Prism 을 이용하여 Trough Reflector 를 제작 Right side view 에서 각 꼭지점의 좌표 (Start Point xyz 0,0,-5) X Y Z 1 2 11 4 3 15 8 19 13 5 22 17 6 25

Workshop 4 – Extruded Reflector (2)
각 꼭지점을 입력할 때 Point 입력 또는 grid snap 을 이용 Command line 에서 복사와 붙여넣기 가능 - Console window 나 기타 Text 에서 Command line 으로 붙여넣기 가능 Segment surface 의 properties 를 Simple Mirror 로 변경 Parallel fan ray 로 이 면에 입사

Library Elements 하나 또는 그 이상의 Object 를 다른 LightTools 모델에서 사용하기 위해 Library Elements 로 저장 가능 저장 방법 - 원하는 Element(s) 선택 - File > Save Library… - 원점, file 이름 등을 입력 불러오기 - File > Load Library Element… > Load Library Element with Option… 또는 Library command button - Command line 에 scale, 위치 , 원점 등을 입력

Section 4 Optical Properties

Optical Properties Optical Properties 는 에너지, 빛의 방향을 변경하는 것을 결정
예 : H7 Automotive lamp 모든 면이 TIR 각 면에 맞는 Properties

Surface 의 색깔에 대한 정의 Translucenst rendering 모드에서 각 surface 의 색깔은 빛의 속성에 대해 나타냄 이러한 색은 3D View Preference > Surface Color Tab 에서 변경

빛의 성질 (진행 속성) Transmit : 빛이 매질을 통과 Reflect : 경계면에서 빛이 진행방향을 바꾸어 원래의
매질 안으로 되돌아옴 Spilt : 매질의 경계면에서 빛의 일부는 투과하고 일부는 반사 Absorb : 빛이 매질의 경계면에서 멈춤

Optical properties 선택 모든 surface의 zone 의 Optical properties는 다음의
창에서 변경 가능

Smooth Optical Ray Trace Mode
Smooth Optical surface 에 맞는 Ray는 Snell’s Law 를 따름 n sin(θ) = n’ sin(θ’) TIR ; 내부 전반사 sin(θ’) = [n sin(θ)]/n’ > 1.0 - 모든 빛은 반사 됨 - 빛은 굴절률이 작은 매질에서 높은 매질로 이동

Smooth Optical Ray Trace Mode
- Transmitted/TIR ; 굴절과 내부전반사 - Split ; 반사와 투과 - Transmitted Ray Only ; 투과만 가능 - TIR Ray Only ; 내부 전반사만 가능

Ray 의 Power 의 고정 Surface 의 반사율과 투과율을 조정 가능 투과하는 방향에서는 어떤 Ray도
- LightTools 에서는 흡수를 고려 R + T + A = 100 % - Ray trace mode : Reflect - Reflectance : 80 % - Absorption : 15 % - Transmittance : 5 % 투과하는 방향에서는 어떤 Ray도 발견할 수 없음

Advanced Power Properties
- Fresnel Loss : 입사각과 굴절률에 의해 변화 - Coating : 사용자 정의 또는 지원되는 Coating은 파장 또는 입사각의 함수에 의해 T 와 R 이 정의 - Polarizer : X, Y 축의 반사, 투과에 의해 정의 됨

Zone_1 vs. BareSurface Smooth Optical 은 Lens에서 일반적으로 사용 됨
Lens 의 앞,뒷면은 자동적으로 2개의 Property Zone을 가짐 - Zone_1 - BareSurface 각 Zone은 다른 광학적 광학적 특성을 가짐 - 초기 설정 값은 동일 Surface의 Zone_1의 크기, 모양, 위치 등은 조정가능 예 ; Lens의 중심부와 주변을 다르게 설정

Bare Surface Properties
Bare Surface 는 특별히 정의되지 않은 surface 의 모든 부분을 말함 모든 Surface는 이 Zone 을 가지고 있음

Zone_1 Properties Zone_1의 Properties를 다음과 같이 변경

Optical Properties Option
Simple Mirror, Smooth Optical : 반사율만을 조정 Absorber – Optical 또는 Mechanical (색깔만 틀림) Etc.

Optical Property Zones

Optical Property Zones
Surface에서 Multiple property zone 의 설정으로 Paint dot 등을 나열할 수 있음 각 Zone 에 Optical Property 를 설정할 수 있음 Zone - Zone type - Element shape - Placement - Zone Geometry

Property Zones 생성 Place zone palette 이용 원하는 surface를 먼저 선택
- 아이콘을 이용, 원하는 형상 선택 또는 - 마우스 오른쪽 버튼 > 2D, 3D Zone 선택 Properties 창에서 변경 가능

Property Zone 표시 Property Zone 은 보이지 않게 설정 되어 있음 볼 수 있도록 표시
Absorbing surface 에서의 타원형 reflector의 나열

3D Textured Surface - Example
BEF model Bezier placement

Texture Elements Original types Spherical Prism Pyramid New types
Cones Cylinders (Vertical or Horizontal)

Texture 정렬 방식 (1) 총 9가지 종류의 정렬 방식 Rectangular Shifted Rectangular
Hexagonal Bezier Polynomial Radial Radial polynomial List ( X,Y 좌표값으로 조정) Mesh Bezier Polynomial Radial Radial Polynomial

Radial Placement Texture 를 배열한 면에서 외각선의 간격, 중점에서의 겹치는 정도, 일정한 간격 등을 조정 가능

Radial Polynomial 다항식 “A + Bi + Ci2 + Di3” 의 공식을 이용하여 윤곽선( 또는 등고선) 이 없는 방사형 구조로 배열. i : 링(Ring) 의 개수

Bezier Placement 이차방정식의 Bezier curve 의 변수들을 각각의 Cell과 입력 값을 통하여 X, Y 축의 Elements 의 위치와 밀도 등을 조정

Polynomial Placement Texture elements 의 X, Y 의 위치를 각각의 다항식으로 조정

List Placement 각 Texture elements 의 위치를 직접 정의
Excel 또는 다른 종류의 프로그램 (Pattern Generator ) 에서 작업한 X, Y 좌표 값을 붙여넣기 또는 불러오기로 정의 가능

3D Texture 생성 또는 입력을 원하는 면을 선택 그림과 같은 순서로 Texture 를 입력 원하는 면을 선택 후
Mouse 오른쪽 버튼 클릭 Context box 에서 Add Texture Zone 선택 또는

3D Texture 생성 (2) - Geometry
3D Texture 가 생성된 면의 Optical Properties

3D Texture 생성 (3) - Placement
Placement – Spacing 과 Offset 으로 구성

Rectangular Zone 의 Geometry

3D Textures - Notice 3D Texture 가 입력되는 Surface 는 Flat 이어야만 함
- 실린더의 양끝에는 설정 가능 - 2D Pattern 은 Cylinder surface 에도 입력 가능 원하는 면에 Texture Zone 을 쉽게 생성 또는 제거 가능 3D Texture 면에서 Trim (Boolean Operation ) 가능 Bump 와 Hole은 각 각의 cell 의 경계까지 길이 변경 가능

Workshop 5 – BEF(1) Rectangular Block 을 제작
- 길이 : 10 mm, 너비 : 8 mm, 높이 : 0.1 mm Top Surface에 Rectangular Texture를 설정

Workshop 5 – BEF(2) Top Surface 에서 RectTexture Zone 의 Properties Dialog 열기 3D Texture : Rectangular Array of Prism Zone 의 Parameter 확인 - Origin : X, Y = 0 - Rotation Angle : 0 degree - Width : 9.99 mm, Height : 7.99 mm

Workshop 5 – BEF(3) Spacing : X = 0.025 mm, Y = 8.0 mm Element Shape
- Height : - Alpha : 45, Beta : 45 - X Width : 0.025, Y Width : 7.99

Workshop 5 – BEF(4) Top Surface 의 Texture 부분을 확대 BEF 가 어떤 역할을 하는지 알기
위해 fan ray 를 입사 오른쪽 Graph 는 BLU에서 BEF의 첨가에 따른 효과를 나타냄 Ref. 3M Website

Section 5 Receivers & Charts

Receivers & Charts - Overview
LightTools 에서는 시뮬레이션 한 Ray Data 를 여러 가지 방법으로 Receiver를 이용하여 기록 Chart 는 이 Data 를 그림으로 표시 Receiver 는 일종의 Detector 와 비슷한 역할 Receiver 는 Radiometric 또는 Photometric으로 작동

Receivers & Charts - Overview
Receiver는 Ray Data 를 얻기 위해 일반적으로 사각형의 Mesh들로 나누어 짐 - Mesh 는 사각형의 cell 또는 bin 으로 구성 - 각 bin 이 data 를 기록 Data 는 color map 으로 표시

Receiver 두 가지 종류의 Receiver - Surface, Far Field Surface Receiver
- 사각형, 평면의 모양 - Surface 에 설치 Far Field Receiver - 구 모양 - 무한 범위에 위치 - 하나의 Receiver만 설치 가능

Receiver Mesh 각각의 Receiver 는 여러 가지 종류의 Mesh를 가질 수 있음
- 다른 Mesh는 각기 다른 Data를 기록 Surface Receiver - Illuminance mesh - Intensity mesh - Spatial luminance mesh - Angular luminance mesh - CIE mesh Far Field Receiver

Receiver Mesh Data Mesh Data 는 Receiver properties에서 확인
Chart는 같은 data를 그림으로 표시 Data는 바로 EXCEL로 붙여넣기 가능

Luminance Meter - Spatial luminance meter
Luminance Meter는 Surface receiver의 한 부분 LightTools는 두 개의 Luminance Meter가 있음 - Spatial luminance meter - Angular luminance meter

Luminance Meter 설치 Luminance Meter는 먼저 Surface receiver를 선택 후 에 설치
설치 후 properties 창에서 재 설정 가능

Spatial Luminance Meter
Emitter의 Spatial Luminance 를 측정 Aperture는 충분한 수의 Ray를 기록하기 위해 충분히 커야 함 Aperture와 거리는 Luminance meter로 들어가는 빛을 나타내는 Cone ,즉 solid angle을 의미

Luminance (Graphic) 그림이 있는 Surface는 Spatial Luminance Meter로 분석됨
- Zone : Transmitting - BareSurface : Absorbing 그림의 모든 좌표는 한번씩 측정 됨 - Spatial resolution은 bin의 개 수에 의해 달라 짐

Angular luminance meter
Emitter의 Angular Luminance 를 측정 모든 위치에서 Luminance는 반구에 의해 측정 됨 Luminance는 angular luminance Mesh의 각 bin 에서 계산 되어짐

Luminance of a Lambertian Source
Lambertian Source에서의 BEF 2 장 - a : BEF 제거 - b : BEF 설정

Receiver Summary 시뮬레이션을 위해서 최소 하나 이상의 Receiver 필요
Surface Receiver 는 illuminance 와 luminance 측정을 위해 매우 중요한 역할 - Intensity 측정도 할 수 있지만, 2π steradian의 범위만을 측정 - Luminance meter는 surface receiver에 붙여서 설치 Far Field Receiver는 intensity 측정을 위해 중요한 역할

Charts

Chart System 두 가지 system으로 구성 - LumViewer
; 하나의 창에 하나의 차트로 표시 - Classic chart ; 어떤 Chart를 여느냐에 따라 각기 다름 시뮬레이션 동안에 모든 Chart는 새로운 Data로 update 됨

Chart Menu Illumination menu에서 Chart를 열 수 있음 - LumViewer를 보기
위해선 반드시 receiver 를 먼저 선택하여야 함 - 모든 chart는 한 개의 창에서 각기 가능한 모든 Data를 표시

Chart Properties 모든 Chart properties는 오른쪽 클릭에 의해 열림
- Title, Axis limit, Axis label, Line Color/pattern, Legend, background 등

Chart Data Export 모든 Chart의 data는 Export 가능
여러 차트의 data 또한 하나의 file로 한번에 Export 가능 - Chart 선택 - File > Export Export 된 data를 바로 동일한 형식의 Chart 로 Import - Chart 창을 실행 - File > Import

Chart Output LightTools 에서 시뮬레이션된 data는 여러 가지 형태로 출력 됨 – Illuminance
: Power/Area (spatial on a surface receiver) – Intensity : Power/Steradian (angular on a receiver) – Spatial and Angular Luminance : Power/(Solid Angle*Area) – Encircled energy – Scatter plot (ray intersection points on the receiver plane)

LumViewer Properties Chart Properties를 열기 위해서 Chart에서 마우스 오른쪽 버튼
Chart의 표현에 영향을 미치는 color, legend 등을 변경 ; Data 의 변경이 아님 (bin size, data bound 등)

LumViewer – Example

Summary - WS