[已解决]Lighttools中关于光线聚焦的问题

fornever24

在做LED的光纤耦合，因为光纤的NA限制其只能接收一定发散角的光线，故需要控制耦合光线进入光纤的角度。现问题如下：

1、如何在LT中查看光线在某个接收面上的入射角情况呢？还有使用LT中的“聚焦优化”时，应该如何设置评价函数来获得想要的角度呢？



2、LT中用于UV波段的石英玻璃材料是下图所示的这个吗？找了半天好像只看到这个。

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追光的学生

2022-5-11 10:13

1、要获取到关于角度的数据，那就关注光强结果；在接受面上添加表面接收器，经过仿真运行后，点击“分析”-“强度显示”-“光栅图表”，这个结果就是入射到接受面上的光线的光强分布，能看出角度的关系。

同时也能查看到具体的入射数据，包括光通量等；关于V/H的坐标定义，如果需要了解，可查看这个：关于灯具的IES测试方法（基于LightTools）
http://www.optzmx.com/thread-22539-1-1.html

2、关于评价函数的设置：单纯的设置聚焦优化是没办法控制角度的，我之前使用的思路可供参考下。对于光纤耦合来说，关注的还是光纤的导光效率，所以设置好光纤的数值孔径，在光纤出光端面上增加接收器，将出光端面上的入射光通量或功率添加到评价函数，评价函数中按理想效率设置目标值，用这两个评价函数组合可以实现；我之前不添加聚焦优化，直接用光通量优化，把角度筛选交给光纤数值孔径，也可以实现优化效果。

当然也可以尝试使用强度切片优化，直接定义角度分布，也可以达到优化效果；
3、我的理解，材料库中玻璃折射率只给出了波分波段数据，但是对于不在波段范围的光，折射率应该是利用折射率公式计算的，光也是可以正常传播的。可以建个简单的模型验证下。

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甘晓苍

对于第一个问题，查看入射角度

在正向模拟里勾选强度切片

设置正向强度切片的分辨率

分析里选择强度显示-剖切图

这里就出来了强度分析的图，但我一般看二维的图，比较好看

追光的学生

1、要获取到关于角度的数据，那就关注光强结果；在接受面上添加表面接收器，经过仿真运行后，点击“分析”-“强度显示”-“光栅图表”，这个结果就是入射到接受面上的光线的光强分布，能看出角度的关系。

同时也能查看到具体的入射数据，包括光通量等；关于V/H的坐标定义，如果需要了解，可查看这个：关于灯具的IES测试方法（基于LightTools）
http://www.optzmx.com/thread-22539-1-1.html

2、关于评价函数的设置：单纯的设置聚焦优化是没办法控制角度的，我之前使用的思路可供参考下。对于光纤耦合来说，关注的还是光纤的导光效率，所以设置好光纤的数值孔径，在光纤出光端面上增加接收器，将出光端面上的入射光通量或功率添加到评价函数，评价函数中按理想效率设置目标值，用这两个评价函数组合可以实现；我之前不添加聚焦优化，直接用光通量优化，把角度筛选交给光纤数值孔径，也可以实现优化效果。

当然也可以尝试使用强度切片优化，直接定义角度分布，也可以达到优化效果；
3、我的理解，材料库中玻璃折射率只给出了波分波段数据，但是对于不在波段范围的光，折射率应该是利用折射率公式计算的，光也是可以正常传播的。可以建个简单的模型验证下。

fornever24

追光的学生 发表于 2022-5-11 10:13
1、要获取到关于角度的数据，那就关注光强结果；在接受面上添加表面接收器，经过仿真运行后，点击“分析”- ...

1、关于评价函数的选择，我感觉你说的“不添加聚焦优化，直接用光通量优化，把角度筛选交给光纤数值孔径”更靠谱一点。


还有你之前做的也是LED的光纤耦合吗？用的是单根光纤还是光纤束？最终的耦合效率可以做到多少呢？


2、关于LT中石英玻璃的问题，我是想问在LT中用于UV波段的石英玻璃材料是否是图中的？


还有就是UV光用普通K9玻璃去做耦合是否也可行？


感谢！

追光的学生

fornever24 发表于 2022-5-11 15:50
1、关于评价函数的选择，我感觉你说的“不添加聚焦优化，直接用光通量优化，把角度筛选交给光纤数值 ...

1、所以我后续类似的优化都直接用光通量优化了，优化更高效；之前有做过LED的光纤耦合，是用光纤束的，医疗照明用，当时选的LED发光面是14 mm2，比较大，光纤束Φ4.5 mm左右，光纤束自身损耗70%，整个考虑下来，效率只有30%左右，损耗有点大；
2、如果是石英玻璃，就是你图中选的那个。我之前也用K9玻璃做过UV光的设计，实测跟设计也是接近的，最后打样使用什么材料模型中就选什么材质。

yjcao

角度也可以通过这种方式来控制。
另外我在模拟中发现，当LED发光面积大于光纤面积时，不管怎么设计，最终的效率都没有直接怼LED上面来的高。这点不知道对不对，楼主也可以验证下。

fornever24

追光的学生 发表于 2022-5-11 16:28
1、所以我后续类似的优化都直接用光通量优化了，优化更高效；之前有做过LED的光纤耦合，是用光 ...

你用的这个LED发光面还不小，整个LED的光都能够耦合进光纤束吗？

我目前用的LED发光面上的光斑大小如下图，大概是2.55×2.55mm，面积约6.5025mm2



发散角见下图，大概是±30°



而想要耦合的单根光纤的纤芯直径最大为2mm，面积约3.1416mm2

根据光学扩展量守恒，有：E(led)=4×6.5025×sin30°×sin30°，E(fiber)=π×3.1416×sinα×sinα

令E(led)=E(fiber)，可得在光学扩展量守恒条件下，光纤端面上的入射角α≈54.3°，然而光纤的NA仅为0.22，能耦合的入射角仅为12.7°。

这样的估算是否意味着，无论我使用什么耦合透镜，耦合效率都会比较低，还不如直接把LED怼在光纤入射端面上？

fornever24

yjcao 发表于 2022-5-11 17:00
角度也可以通过这种方式来控制。
另外我在模拟中发现，当LED发光面积大于光纤面积时，不管怎么设计，最终 ...

你说的这个问题我也在考虑，应该是符合光学扩展量守恒原理的。

我上面进行了一些计算，你可以看看是否有问题

追光的学生

fornever24 发表于 2022-5-11 17:53
你用的这个LED发光面还不小，整个LED的光都能够耦合进光纤束吗？

我目前用的LED发光面上的光斑大 ...

抱歉抱歉，昨天没来得及回复。1、光是没办法都耦合进光纤束的，所以当时的优化思路也是先通过计算，利用光纤处扩展量计算光源处多少角度范围的光可以被耦合进光纤，然后优化的时候直接在光源属性中，定位角度处设置为相应的角度值，避免大角度光线对优化效率的影响；2、我想先问一下，这两个公式中，E(led)=4×6.5025×sin30°×sin30°，E(fiber)=π×3.1416×sinα×sinα，4和Π分别是什么啊？没太看懂这两个值的含义；

3、直接怼光纤的方法我在设备中也见到过，极其少采用这种方式，大多数还是增加透镜系统；效率低是客观存在的，受LED朗伯发光的限制，另外单光纤束面积也不大；我之前利用点光源估算过直接怼和经光学系统的差异，但你现在光源发光面确实比单光纤面积大很多，这个应该有办法验证，直接在LT中建个模型，不添加镜片，直接优化单光纤跟LED之间的距离，找光通量最大值，跟计算结果对比下，应该可以说明一些问题。

fornever24

追光的学生 发表于 2022-5-12 18:39
抱歉抱歉，昨天没来得及回复。1、光是没办法都耦合进光纤束的，所以当时的优化思路也是先通过计算，利用 ...

1 & 2、关于光学扩展量的估算，我记不清是从哪里看到的了，是按照下面的方法计算的：

“对于平面发光体，光束的形状会影响其扩展量E：
对于圆孔径，E=pi*A*sinθ*sinθ；对于矩形孔径，E=4*A*sinα1*sinα2（其中A为发光面面积，α和θ分别为发散半角）”

上述公式的准确性我也不太确定，你一般采用什么样的方式去估算能够耦合的LED角度呢？

3、LED直接怼光纤不应该是离得越近越好吗？