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LightTools 曲面微结构之功能与应用

郑至翔,Cybernet Taiwan,应用工程师


LightTools 8.2加入了在曲面上建立三维微结构的功能,用户可在大幅度变化的曲面上放置重复性的微结构以进行仿真与设计,且与原先在平面上建立微结构的功能非常相似。

于平面上建构微结构,是以区域的表面坐标定义微结构在表面上之相对位置,且微结构之区域可旋转,如图一所示。

图一:平面上建构微结构


曲面上建构微结构,则是使用参考平面或UV坐标系统取代区域坐标的布置方式。若使用参考平面建置微结构,微结构的位置将以参考平面上的x与y坐标定义,并以「+」符号标注,微结构沿着参考平面的z轴投影至曲面上,而当曲面外形改变时,微结构将自动调整并保持在曲面上。参考平面之坐标可以自行定义,并可对平面进行旋转,如图二所示。

图二:曲面上建构微结构,利用参考平面定义微结构位置


使用参考平面建构曲面微结构,所支持的微结构位置类型与以往相同,包含:矩形、偏移矩形、六边形、贝兹、多项式、放射状、放射状多项式、清单与网格。

建构曲面微结构的另一种方式即使用UV 坐标系统定义。对象的表面皆有其内部的UV 坐标系统,主要为沿着表面定义,而此定义方式适用于大部分的曲面类型,特别是微结构围绕对象的表面,且以参考平面建构只能覆盖到曲面的部分区域时,如:圆柱物件或长形导光管等。透过UV 坐标系统可完整地沿着对象曲面的长度或圆周方向建构微结构,如图三所示。

图三:利用UV坐标于曲面上定义微结构位置


利用 UV 坐标系统于曲面建构微结构,所支持的微结构位置类型包含矩形、六边形、放射状与清单,如图四所示。


图四:支持的微结构位置类型


由于微结构置于凸起的曲面上,可能因表面弯曲而造成微结构边缘无法与曲面完全吻合,故根据微结构的种类,LightTools提供不同的修正方法。若微结构为球体,则于半球下方延伸一圆柱与曲面接合;若微结构为棱镜与角锥,则可以在微结构的基底下方设定延伸的长度值,如图五所示。


图五:球面、棱镜与角锥微结构之延伸方式


若微结构为自定义外形的数据库组件,则用户可以根据需求,调整微结构外形长度,并设定z轴的位置,如图六所示。

图六:数据库组件微结构之延伸方式


曲面微结构模型若需考虑加工上的拔模限制,则可透过微结构对齐表面法线或平行于参考平面z轴之选项,选择符合实际需求的设定方式,如图七所示。


图七:支持的贴齐表面方式


曲面上建立三维微结构功能可广泛应用于照明领域之模型建构与设计,以下列举两个范例,分别使用参考平面与UV坐标方式建构曲面微结构模型。第一个范例为灯泡之灯壳设计,设计目标是在曲面灯壳上建构数组透镜,让灯泡可以产生较广的照度分布。初始设计中灯壳为平滑之曲面,仿真之照度结果显示照度主要集中于中间之区域,如图八所示。


图八:灯壳为平滑曲面与照度分布结果


接下来可以利用曲面上建立三维微结构功能,于灯壳曲面上建构枕形的微结构,并使用参考平面定义微结构为矩形位置的排列方式。模拟结果的照度分布明显扩展开来,如图九所示。


图九:曲面灯壳上加入枕形微结构与照度分布结果


第二个范例为车用眉形灯之设计,初始设计为一长条形导光条所建构之眉形灯,光源使用LED于单侧入光,模型如图十所示。强度的仿真结果显示,光线进入导光条后于内部全反射,最终于导光条两侧出光,如图十一所示。


图十:眉形灯初始设计之模型


图十一:眉形灯初始设计之强度分布结果


眉形灯之设计必需将光线集中于正向的范围内出光,让人眼可以观察到此眉形灯发光时的结果。为了达到此设计目标,可于导光条的底面加上棱镜微结构,破坏光线于导光条内部之全反射,并让光线往正向出光。由于微结构是建构在导光条的曲面上,并沿着长度方向排列,因此可以使用UV坐标系统定义微结构为矩形位置的排列方式,如图十二所示。


图十二:眉形灯加入棱镜微结构之模型


强度的仿真结果显示,光线进入导光条后经棱镜微结构破坏全反射,最终于正向范围内出光,因此强度分布可观察到集中之光形,如图十三所示。若需考虑导光条之辉度均匀性,则可以针对棱镜之排列、棱镜角度与深度等进一步进行优化设计。


图十三:眉形灯加入棱镜微结构之强度分布结果


结论

曲面上建立三维微结构的功能可以让用户在曲面上快速的建构重复性的微结构,不论何种曲面形式,皆可透过参考平面或UV坐标系统方式建构出微结构,由于不需建构出实体的组件,所以仿真速度非常快速。且微结构之外形与位置排列皆可进行设定,因此可有效率调整微结构的相关参数,并进一步优化微结构之设计来改善系统的效能,故此项功能可广泛应用于照明领域之模型建构与设计。


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