[我分享] LightTools 菲涅尔透镜Fresnel Lens Utility菲涅尔透镜实用程序

本帖最后由 伊人在水一方 于 2024-1-4 20:44 编辑

      “Fresnel Lens Utility菲涅尔透镜实用程序”可在LightTools 菜单栏>>帮助>>文档库>>实用工具指用户南 中找到，如有翻译不当之处，望指正！


      建议打开LT  "工具>>实用工具库>>几何体> 菲涅尔镜头" 对照里面的选项、参数与本文档一起食用，效果更佳！



Fresnel Lens Utility菲涅尔透镜实用程序
      该实用程序使您能够创建和优化菲涅尔透镜。菲涅尔透镜结构是使用扫描、蒙皮或透镜基元构建的，具体取决于透镜几何类型。所有参数均与 LightTools 模型一起保存，并可用于优化和/或修改。
About Fresnel Lenses
      菲涅尔透镜是一种用于特定用途的高效透镜，其质量相对较小，因此可用于传统透镜无法实现的用途。菲涅尔透镜基本上由棱镜阵列组成，每个刻面对应一个菲涅尔区Fresnel Zone。
      LightTools 支持三种基本透镜类型。如下图所示，它们被称为Regular常规、Extruded,拉伸和Beacon灯塔透镜三种类型。
Regular类型的基板可以指定为圆形或矩形。 Extruded 型的基板只能是矩形，Beacon 型的基板只能是圆柱形。


Groove Type刻槽类型
      菲涅尔透镜中的凹槽可以是等深度的，其中所有凹槽都具有相同的深度，也可以是等宽度的，其中它们都具有相同的宽度width或步长step。如果是等宽度Equi-Width，则凹槽可以在底部或顶部对齐，如下图所示。


Groove Profile刻槽轮廓
      凹槽的轮廓可以是凸形convex（负曲率）或凹形concave（正曲率），如下图所示。



Base Surface Profile基面轮廓

基面轮廓由由后半径RearRadius和后圆锥曲线Rear Conic指定的圆锥轮廓控制。前面的图表都显示了菲涅尔透镜具有平坦的基面，其中所有三个系数的值都为零。通过使用非零值non-zero values，可以生成叠加了菲涅尔区的弯曲基面。这种透镜的一个极端例子如下图所示。

Groove Draft Angle凹槽拔模角

拔模角是凹槽的陡坡（后切backcut）与透镜光轴之间的角度：

Groove Fillet凹槽圆角
      实际的制造过程使得锯齿的波峰和波谷在槽的横截面不是尖的，但有一个有限的半径，如下图所示。


      严格来说，峰部的圆边称为半径或圆边，而在谷部则称为圆角；然而，当两者具有相同的价值时，两者通常都被描述为圆角”。 LightTools 遵循此约定。substrate：基面





Fresnel Lens Utility Features菲涅尔透镜实用功能

LightToolsFresnel镜头实用程序使您可以创建和优化菲涅尔镜头。菲涅尔透镜结构是使用扫描、蒙皮或透镜基元构建的，具体取决于透镜几何类型。所有参数均与 LightTools 模型一起保存，并可用于优化和/或修改。

要使用菲涅尔透镜实用程序，请在LightTools 菜单上选择工具Tools > 实用工具库Utility Library on the LightTools menu,然后选择 几何体Geometry > 菲涅尔镜头Fresnel Lenses。

“Fresnel LensUtility”对话框将打开“Parameters”选项卡，如下图所示。

开始设计前，您需要指定生成刻面的方式。可供选择的方式有:
Polynomial 多项式LightToolsThin Fresnel 薄菲涅尔透镜
Ideal Focus onSmooth Side平滑面上的理想焦点
Ideal Focus on Faceted Side刻面上的理想焦点

如何选择取决于镜头的预期用途。如果目标是聚焦准直光线，那么理想聚焦ideal focus选项通常是最佳选择。在其他情况下，您可以使用薄菲涅尔ThinFresnel进行近似设计，然后使用多项式Polynomial进行细化。

Polynomial
      在这个模式中，带有非球面系数的圆锥形轮廓被刻划(faceted)，从而形成透镜。


LightTools Thin Fresnel
      该模式类似于多项式模型，但没有刻面(facets)。


Ideal Focus on Smooth Side

在这个模式中，透镜的每个刻面都经过调整，因此平行于Z轴的光线将会聚到透镜背面(平滑一侧smoothside)的焦点。可直接指定焦点，半径会自动更新，假定透镜为近轴厚透镜paraxial thick lens。

Ideal Focus on Faceted Side
      在这里，透镜中的每个刻面都要进行调整，使平行于 "Z "的光线对准透镜正面（刻面一侧）的一个焦点。可直接指定焦点，半径会自动更新，假定透镜为近轴厚透镜paraxial thick lens。

注意:所有活动变量均以红色字体显示在实用程序中。要从活动列表中添加或删除变量，请右键单击该变量并选择“添加/删除优化变量”命令。可以在LightTools ILTVariableGroup 界面中启用或禁用变量。

Lens Parameters
      下一步是指定基本的透镜参数，包括透镜的名称。“Material”下拉框显示用于制造透镜的材料。该列表包括常用材料：PMMA，丙烯酸，聚苯乙烯，和聚碳酸酯。通过在LT中更改实体的材料，可以使用其他透镜材料。然后，通过单击刷新将该材料添加到列表中。焦距计算使用菲涅尔透镜材质在NSRay参考波长处的折射率。塑料的典型默认折射率为1.494。

透镜类型“Type”和形状“Shape”与上面" About Fresnel Lenses "中描述的基本特征相对应。菲涅尔透镜结构是使用扫描swept、蒙皮skin或透镜基元lensprimitive构建的，具体取决于透镜的几何形状（轮廓类型Profile Type）。轮廓类型有两个选项：多边形Polygon和样条线Spline。在大多数情况下，多边形Polygon是首选，渲染效果会更好。样条线Spline用于具有相对较少刻面数（1 到 10 个之间）的透镜。

      根据镜片类型Type和形状Shape选择性地启用直径Diameter、高度Height和宽度Width参数。

内半径 “InnerRadius”仅适用于灯塔透镜Beacon lens；正值表示刻面位于透镜外部，负值表示刻面位于透镜内部。

TIR 起始角度“TIR Start Angle”仅在”Facet Specification刻面规范> Ideal Focus on Faceted Side 刻面侧理想焦点"中启用。当焦点到透镜的角度超过 TIR 起始角时，就会创建 TIR 刻面。请注意，启用并选中 " Use Transmit Only for All Surfaces仅对所有表面使用传输"（在 “Advanced”选项卡上）时，将禁用 TIR 光线跟踪。后半径Rear Radius和后圆锥参数Rear Conic指定后表面，后表面可以是曲面。

Groove and Thickness Parameters沟槽和厚度参数
      下一步是指定透镜的凹槽和厚度参数。
      Thickness  厚度 - 指定透镜的中心厚度。
      Type  类型 - 指定刻面是等深还是等宽。等宽Equi-Width仅适用于多项式透镜Polynomial lenses，而等深Equi-Depth则适用于多项式透镜和理想对焦透镜（Polynomial and Ideal Focus lenses）。
      Maximum Depthand Width  最大深度和宽度 - 设置凹槽深度和宽度的上限。例如，您可以从镜头边缘开始使用等深equi-depth几何图形，直到达到最大宽度，然后在靠近中心的区域切换到等宽equi-width几何图形。为避免宽度和深度同时影响刻面轮廓，通常在使用等宽时使用较大的深度值，在使用等深时使用较大的宽度值。

VertexAlignment  顶点对齐 - 仅限于等宽Equi-Width的多项式透镜Polynomial lenses。上顶点或下顶点都可以按照后表面的基准曲线对齐。后表面由透镜参数组中的后半径和后圆锥曲线参数指定。

Polynomial Front Surface Parameters多项式前表面参数
      这些参数描述了菲涅尔表面轮廓，它可以是多项式。多项式曲线可以具有半径、圆锥常数和T4 T6，..T20等阶数。

      Focal Length  焦距 - 对于多项式透镜Polynomial lenses，有效焦距由曲率半径、折射率和透镜厚度得出。      • 对于Ideal Focuslenses理想焦距镜头，焦距是唯一可以输入的表面参数
      Radius  半径 - 仅对于多项式透镜，菲涅尔半径指定刻面的曲率半径。负值表示凸面，正值表示凹面。
      Conic Constant  圆锥常数 - 用于创建刻面轮廓的圆锥常数。圆锥常数控制球面像差，不影响准轴向焦距。

AsphericCoefficients  非球面系数 - 描述多项式曲线的系数。

      注意：该曲线建立在由后半径和后圆锥曲线指定的基准曲线上。多项式曲线的半径和圆锥常数与基准曲线的半径和圆锥常数无关。

其他参数位于"Advanced "选项卡上。

有关详细信息，请参见以下主题。

AdvancedParameters 高级参数

Fillet Control圆角控制

      Coordinate System坐标系
      Draft Angle拔模角度
      Profile Data轮廓数据

Advanced Parameters高级参数

Max Num ofFacets 最大刻面数- 该参数为创建透镜时生成的刻面数设定了上限。

Step for Angle  角度步长- 轮廓中的每个刻面都是通过多个分段来计算的。角度步长参数可控制刻面下垂轮廓与平滑曲线的偏差。该参数值越小，每个刻面的分段越多。

Don’t ModifySurface Properties   不修改曲面属性– 选中此复选框将禁用其他两个复选框。

Assign FresnelLoss to All Surfaces   将菲涅尔损失分配到所有表面– 如果选中此复选框，则在重建透镜时，程序将调整表面属性以包括菲涅尔损失。

Use TransmitOnly for All Surfaces  仅对所有表面使用透射–如果选中此复选框，程序将在重建透镜时关闭所有表面的 TIR。

Fillet Control 圆角控制
      Fillet Radius 圆角半径- 指定圆角的半径（假设比刻面小）。

Number of Fillet Points 圆角点数- 在透镜中使用多个点对圆角进行建模；通常 3 至 7 个点就足够了。

Coordinate System坐标系

这里复制了 LightTools的坐标控件，以方便您使用。如果您需要调整模型的方向，请选择 " Use FormCoordinates使用窗体坐标 "复选框，输入所需的坐标，然后单击 " Apply Coords应用坐标 "按钮。清除复选框则返回默认值。

Draft Angle拔模角度

指定由线性方程定义的拔模角：Draft Angle = A+BR。单击“View Chart查看图表”按钮将显示拔模角轮廓图。

Profile Data轮廓数据
      “Profile Data”选项卡提供数据的快速可视化。本页上的表格列出了用于构建菲涅尔透镜几何形状的所有横截面顶点的坐标。可以使用“Export Fresnel Profile”按钮将这些坐标保存到文本文件中。

图表显示菲涅尔曲线。单击"Zoom "按钮可显示下图所示的带绘图区域控制的放大图表。当您更改表面参数时，该图将自动更新。

Optimization 优化

使用菲涅尔透镜实用程序的优化功能需要有效的优化模块许可证。有关获取优化模块许可证的信息，请联系lighttools_support@synopsys.com。

您可以在优化过程中使用以下参数作为变量：
      Focal Length 焦距
      Radius 半径
      Conic Constant圆锥常数
      Polynomialcoefficients (all) 多项式系数（全部）
      Thickness 厚度
      Lens Heightand Width 透镜高度和宽度
      Inner Radius 内半径
      Rear Radius后半径
      Rear Conic 后圆锥曲线

Groove Depthand Width 凹槽深度和宽度

Draft Angle(coefficients A and B) 拔模角（系数 A 和 B）

Optimization Tips优化技巧
      虽然不是必需的，但如果在优化过程中击中接收器的射线集没有变化，则优化通常会更快地收敛。
Choosing RayTracing Direction选择光线追踪方向
      跟踪来自点源的发散光线通常比聚焦准直源更可取，如下图所示。在第一幅图中，使用由透镜聚焦的准直光线，其中一条光线在面的后斜面上折射，而另外两条光线则表现出 TIR。这些异常光线会增加 MF 的噪声。在第二张图中，由于透镜准直发散的扇形光线，所有光线在刻面内折射，完全错过后斜面。


Optimizing Equi-Width vs. Equi-Depth Lenses优化等宽与等深镜头
      具有等宽的透镜通常比具有等深凹槽的透镜更容易优化。其原因在于，由于顶点不会移动，因此当 R 和 K 变化时，射线集更接近于恒定。下图说明了这种效果。

Using the AimSimRays Merit Function 使用 AimSimRays 评价函数

      AimSimRays 评价函数是优化菲涅耳透镜的不错选择。然而，对于拉伸Extruded几何形状，使用“Y”进行聚焦非常重要。尽管 X,Y（焦点）会起作用，但 X 的贡献可能会发生变化，因为击中接收器的光线并不总是相同。下图说明了这种效果。（帮助文档里面的原图就是这么模糊）


Using the NSRays Merit Function使用 NSRays 评价函数

在优化菲涅尔透镜时，AlternateEngine替代引擎往往比使用 NSRays 评价函数的Standard Engine标准引擎效果更好，尤其是当设计与最佳配置相差甚远时。其中一个原因是，当目标光线数量发生变化时，替代引擎会通过增加优化函数来考虑错过目标的光线。相反，标准引擎则假定射线在优化过程中不会发生变化。此外，替代引擎更有可能忽略小的局部最小值。

Recalculating Increments重新计算增量

如果“RecalculateIncrement When Starting Opt启动选项时重新计算增量”设置为“是”，则 UDV 将根据模型和用户定义的增量自动（重新）计算，并在重新计算的增量与先前值不同时显示控制台消息。您可以通过将“Recalculate Increment When Starting Opt启动选项时重新计算增量”设置为“否”来关闭 UDV 的自动重新计算并使用 LT 默认值。

Example: Optimizable Extruded Fresnel Lens示例：可优化的拉伸菲涅尔透镜
1. 在 LightTools 菜单上选择 工具Tools > 实用程序库Utility Library， 然后在弹窗中选择几何体Geometry > 菲涅尔镜头Fresnel Lenses。

2. 单击 Fresnel Lens 工具栏中的 Help，然后选择 Make Demo Model，如下图所示。演示模型的 LightTools 3D 设计视图如右侧所示。


3. 选择 CubeSource 按钮：

4. 在 Z = -2 处定义一个 19x 19 x 0.1 的长方体，仅右侧发光。

   

5. 打开 CuboidSource Properties 对话框（属性对话框），通过将 Aim Sphere Lower Angle 从 180 度更改为 0.0 度来准直源。

   

6.将DivergingFan光线和虚拟平面从Z = 20重新定位到Z = 15。您的3D设计视图现在应如下图所示。


7.将接收器添加到虚拟曲面，在（0，0，15）处。


8. 选择“光线跟踪>模拟输入”。 Ray Trace > Simulation Input.

9.将“Total Rays to Trace要追迹的光线总数”的值更改为5000，然后单击“确定”。

10. 选择优化>添加评价函数>聚焦或准直。Select Optimization > Add Merit Function > Focus or Collimate.（旧版本的评价函数里面“聚焦”和“准直”不是分开的，新版本选“聚焦”就行）

11.选择“Focus receiver rays to a point将接收器光线聚焦到一点”（默认设置），然后单击“下一步”。（旧版本才有的操作，新版本默认）

12.在“Select Receive选择接收器”选项卡上，确保选择了正确的接收器，并且模拟的光线总数为5000。单击“完成”。
  

13.选择优化>输入（Optimization> Input）。在控制选项卡上，选择替代优化引擎，然后单击确定。

14.展开优化管理器（Optimization Manager）节点和评价函数（Merit Function）节点，然后选择聚焦（Focus）。


15.在“Parameters参数”选项卡上，将RayDataItems的值更改为Y，然后单击“确定”。（这是比较旧的版本才有的选项）


16.选择“查看”>“查看首选项”并展开默认节点。

17. 在优化选项中, 选择以下选项，然后单击 OK:
      Plot Merit Function on a Logarithmic Scale 在对数刻度上绘制评价函数
      Display Intermediate Model Updates 显示中间模型更新


18. 单击菜单栏上 优化 > 优化!
      您可以在LightTools 3D Design视图中查看优化过程。下图显示了五次迭代中的第二次。


      优化过程完成后，3D设计视图如下图所示。测试光线现在已收敛到所需的焦点。（我优化出来的结果没有这么理想，也不知道是哪出错了，有知道的评论区告诉我一下）


19.选择“优化”>“结果”。下图中显示了评价函数结果。在这里，您可以定量地看到优化是如何通过五次迭代进行的。

本帖最后由 踏浪 于 2024-1-30 16:30 编辑

两个面同时设置菲涅尔面型是需要使用到布林运算吗？

我没试过，一般都是一个面，自带的工具也是只能设置一个面，想要同事设置两个菲涅尔面型的话，我觉得可以先分别设置具有一个菲涅尔面的元件，再布尔运算到一块。

Ideal Focus on Smooth Side
在这个模式中，透镜的每个刻面都经过调整，因此平行于Z轴的光线将会聚到透镜背面(平滑一侧smoothside)的焦点。
请教一下，这个调整的方式是整段刻面倾斜吗？还是调整曲率？楼主能够详细介绍一下吗？

首先这个问题我不太会。你可以这样试一下，调整一下参数，然后看一下模型的曲线，你可以看到它的旋转轮廓，会发现每个刻面不一定是一致的，要想精准控制每一个刻面的轮廓，建议用MATLAB写一下代码，将轮廓曲线导入到LT里面即可。

刚试了导入STP模型到lighttools中，然后光线追迹很乱。

即使是从lighttools导出的stp，再次导入lighttools中，光线追迹差别也很大。
请问这是stp精度有问题吗？

导入导出肯定有影响的，至于影响多大，得看模型的复杂度了，模型越复杂影响肯定越大。你应该也看到了，如图，第一个模型是在LT里面建的，模型的每一个刻面是由曲线轮廓拉伸得来的，第二个A1是导出再导入的的话每一个刻面都被解析成单独的一个面了，精度会不如在LT里面直接建的高，我这个比较简单，所以光线看不出来区别多大。如果你会机械建模的话也会发现这类问题，一个模型建好了，导出成通用格式，再用另一个软件或者预原软件打开，模型精度都会有变化的。

原来如此，谢谢指教

这个建模出来跟trcepro zemax不一样 尤其非球系数的建模，请问一下楼主知道是什么原因

确实，我也发现这里面的非球面系数和一般的非球面系数是不互通的，不知道有没有什么转换的方法（图里是相同非球面参数的普通镜片和菲涅尔，最外端面型未重合）