Part 1. LightTools入门教程

作者：北京理工大学光电工程系郑建锋

ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ　入门指南

声明

本文翻译了LightTools软件自带说明书的Core Module User’s Guide部分章节及Illumination Module User’s Guide的主要章节。由于本人的能力有限，文中难免出现错误，敬请大家原谅！

本文只用做学术交流，严禁将本文用作商业目的！如有人用作商业目的将追究当事人责任。

作者：北京理工大学光电工程系郑建锋

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作者：北京理工大学光电工程系郑建锋

前言

目前一些光学辅助设计软件的使用在国内有很大的需求，一些软件如Zemax 在国内已经有了众多的使用者，但是市面上却没有相应的中文书籍。而像LightTools这样的光机仿真软件不要说中文书籍了，就是连相关的中文资料都很难找到。这种现状给大家的学习带来了极大的不变，我在学习的过程中也感觉到由于缺乏相应的书籍资料和指导而走了很多弯路。

为什么会造成这种现状？我们知道目前也有一些关于Zemax和LightTools 等光学设计软件的培训班，但是培训时间短，费用昂贵，并不是所有的光学设计人员都能够有条件参加学习。这些培训班的组织者有很多是国内各高校的教授，他们都是从事光学行业的高水平人才。回想一下这些高校的教授，他们的所学完全是出自老一代光学设计大师对他们的培养，他们从老一代光学设计大师手中接过了光学行业的接力棒，却把这当成资本，聚敛钱财。鄙人十分鄙视这种行为。各位教授完全可以拿出一点精力结合光学设计编一些针对Zemax、LightTools 等光学软件的书籍，这样你们既挣到了钱也可以在更大范围内传播知识，而不要只顾追求短期的利润。

北京理工大学的光学设计软件sod88是中国老一代光学设计大师智慧的结晶，在算法和像差优化方面完全不次于zemax等光学设计软件。现如今却还停留在Dos操作界面，导致国外的光学设计软件zemax、codeV等占据了中国的市场。目前sod88几乎已经销声匿迹。这是中国光学设计的耻辱，是对我们老一代光学设计大师劳动果实的亵渎。

这是一个浮躁的年代，这是一个追求个人利益的年代。

Don’t ask questions,

there is no teacher!!!

Do it yourself!!!

作者：郑建锋

作者：北京理工大学光电工程系郑建锋

核心模块用户指南

第一章LightTools介绍

LightTools是一款光学建模工具，它可以通过绘制图形让你创建、观察、修改并且分析光学系统。它的风格近似于精密复杂的CAD程序，但是，它有扩展的数值精度和专门进行光学设计的光线追迹工具。

LightTools由几个光学模块组成，这些模块可以和ＣＯＤＥＶ一起使用来解决光学工程中的问题。这些模块的核心是Light Tools核心模块，在该指南中将对此核心模块进行描述。Light Tools成像路径模块也将在该指南中进行介绍。另外一些扩展模块将在单独的指南中进行介绍。

一．开始了解LightTools

1.LightTools要求的显示器的分辨率

如果你的显示器的分辨率能达到1280×1024像素，我们推荐你使用这种分辨率。你可以在1024×768的分辨率下使用Ligh

tTools，但是在这种分辨率下你可能需要调整一些窗口的大小并且在一些对话框中使用滚动条来查看信息。（在windows的显示属性对话框中一定要指定小字体。）使用小于1024×768的分辨率将需要更多的使用滚动条。

2.背景和颜色

默认的LightTools的背景是统一的深蓝色背景。通过选择不同的颜色方案，或者通过属性对话框（View >View Preferences

）。

3.坐标轴的选择

你可以改变坐标轴的显示方式或者关闭掉坐标轴的显示，如下图所示：

4.定制LightTools

正如前面的章节中提到的一样，你可以在LightTools中设置定制属性以改变背景颜色，或者选择坐标轴的显示方式。你可以设置另外的一些属性，包括一般的系统属性，视图属性和一般默认的属性。

有几种方式可以定制属性：

ü选择视图-〉视图属性菜单。

ü在属性浏览器中右键点击一个属性类型并且从快捷菜单中选择“属性”。

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ü在设计窗口中右键点击然后再快捷菜单中选择View Preferences。

下面是Preferences对话框的显示，你可以在其中定制LightTools。

(1)保存Preferences

为了在你下次使用LightTools时保持你定制LightTools的设置，你需要保存Preferences(参数选择)：

l为了保存Preferences使它成为缺省的设置，右键点击Preferences 对话框中的General Preferences或者Defaults，然后选择从快捷

菜单中Save General and Defaults。

l或者在Preferences对话框中右键点击模型的名字，然后选择Save

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View Environment。

(2)将LightTools的设置转移到新版本的LightTools

将某个版本的LightTools的Preferences拷贝到一个新的

版本的LightTools中的方法是拷贝LightTools安装目录\Environments\User 下的所有文件到新版本的目录下。

5.在LightTools中如何使用鼠标

在LightTools中鼠标是主要的用户使用工具。你可以使用

它登录、选择、并且移动元件，调整光线位置，操作LightTools中模型的显示。你可以使用键盘输入精确的数据，例如曲面的半径；但是，大部分的时间你都是在使用鼠标。

下图说明了鼠标按键在LightTools中的作用。

鼠标左键用来选择目标、定义点、放置元件、点击按钮等等。

鼠标右键的使用如下所示：

作者：北京理工大学光电工程系郑建锋l显示相关的快捷菜单；

l以下列方式操作你的模型的显示：

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控制台窗口由三个主要部分组成。菜单条在最顶部，你可以通过点击左键进入下拉菜单。命令行位于底部，你可以输入命令，例如Exit或者New3DDesign。在控制台的中心显示你正在使用的所有命令和输出信息，不管它们是如何产生的（via菜单、命令按钮、鼠标点击、通过LightTools等等）。

控制台窗口可以被最小化，但是，因为它的用处，最好将它打开。它不能被关闭。

三．创建一个LightTools模型

要创建一个新的模型，当控制台窗口被激活时选择File>New Model（被选择并且显示在前面）。一个二级菜单被显示在箭头右边，如下图所示，因此你可以选择你观看的视角：2D设计视角，3D设计视角，或者成像路径视角。

选择希望的视角，让合适的视图被显示，做好输入

的准备。

四．打开先前保存的LightTools模型

要恢复先前保存的LightTools模型，在控制台窗口中点击

File>Open...。在Open...（或者别的LightTools菜单中）后面的点表示选择此菜单将显示一个对话框。

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打开的对话框如下图所示，是用来选择打开目录和文件。

要选择一个文件，双击想要打开的文件或者点击那个文件然后点击Open 按钮。只有有效的LightTools文件才显示在文件列表中。

如果你决定不打开已经保存的文件，点击Cancel按钮关闭对话框。

五．保存一个LightTools模型

被保存的LightTools模型文件的名字的格式为filename.

n.lts的文件，其中filename是文件的名字，n是版本号，lts是文件的扩展名。

如果模型已经被保存，你可以在任何打开的视图或者控制台窗口中选择File>Save As...，这样就可以以相同的名字和更高的版本号来保存模型。

如果模型还没有被保存，你可以在任何打开的视图或者控制台窗口中选择File>Save As...。这样就会显示一个“打开”对话框，你可以在其中键入想要的文件名字。（LightTools可以自动添加版本号和扩展名。）

六．运行一个LightTools宏

在LightTools中你可以使用辅助的宏程序来创建对象，处理数据，优化系统等等。要运行一个LightTools宏程序，点击菜单Tools>Run Macro...，然后将显示一个Open对话框，如下图所示。选择需要的宏（.ltb）文件的名字然后点击运行它。

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注意：另外一个执行宏程序的方法是在任何命令提示符下输入命令Run，后面接着输入宏程序文件的名字。想要知道LightTools宏的特性，可以查阅LightTools MACRO Reference

Guide。

你可以使用File>Run菜单来运行一个第三方应用程序。运行的方法是进入合适的目录并且双击需要的.exe文件。注意在LightTools和以这种形式运行的第三方应用程序之间没有联系。

七．Addlns

Addlns使你可以在LightTools Tools菜单中定义程序入口。要定义一个Addlns，按以下的步骤：

⒈选择Tools>Addlns（当一个设计窗口处于活动状态）或者Addlns>Addlns(当控制台窗口处于活动状态)。

⒉点击Add按钮。

⒊为Addlns指定参数。

2Menu Text是在Addlns被创建后显示在菜单上的文字。

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2Command是可执行文件的名字。

2Arguments是执行文件时需要输入的数据。

想要得到更多的Addlns的内容，可以查阅Writing Addlns Programs。

八．与CODE V交换数据

LightTools可以与CODE V交换镜头数据，镜头模型结构在这两个软件中是基本相同的。

注意CODE V中模型的特征可能会不能完全输出到LightTools中。这方面可以查阅CODE V参考书册中详细的CODE V的哪些特征不能输出到LightTools中。 LightTools的镜头模型可以输出到CODE V然后在输入回LightTools中，这种输入可以完全输入，只要模型的结构在CODE V中没有被改变。例如，一个棱镜输出到CODE V然后外加一些面，这个棱镜将不能被完全引入回LightTools 中。但是，如果镜头只是被简单地优化或者分析，还保留着相同的基本结构，它将能够完全输入到LightTools中。

1.从CODE V中引入镜头

CODE V的LTE（LightTools Export）选项可以使CODE V的镜头文件的保存格式和LightTools兼容。要运行这个选项，就要在CODE V中执行LTE命令以开始LightTools输出选项。完整的命令如下所示：

输入GO命令让CODE V执行LTE选项并且保存LightTools镜头。输出文件名字的格式为filename.syx,x是版本号。可以查阅CODE V参考手册来获得关于LTE选项附加命令的细节。

要从CODE V输出一个镜头文件到LightTools，点击File>Open...，能够打开先前保存过的LightTools模型的文件对话框将出现。这里没有详细说明关于LightTools文件是来自LightTools还是来自CODE V（虽然它们有不同的文件扩展名）。

当你引入一个CODE V文件时，默认的视图是３D设计视图。在引入镜头之后，比例可能不合适导致镜头对于视图来说显得太大，如果出现这种情况，可以选择View>Fit All Same。

2.和CODE V之间互相的数据引入

如果镜头是在LightTools中创建的并且要被输出到CODE V

中，CODE V能够分辨出这种输入。既然这样，当在LightTools中打开最初的镜头数据时，点击File > Import > Import CODE V CODE V...。这将打开一个选择引入文件的对话框。这个引入过程会更新最初的从LightTools输出到 CODE V 中的成像路径。

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3.向CODE V中输出数据

只有单一的成像路径才能被输出到CODE V中，在设计窗口

的菜单栏中点击File>Export>Export CODE V...。然后将弹出一个用于指定被输出的LightTools模型文件名的对话框。被输出到CODE V中的LightTools模型将被以名字格式为filename.n.seq的文件名进行保存，其中filename是文件的名字，n是版本号，seq是文件的扩展名。

九．在LightTools中如何获得帮助

当你使用LightTools进行工作时，你可以使用以下几种形式的帮助：

l工具提示

l这是什么？帮助

l LightTools在线帮助系统

l在线文件

1.工具提示

当你把鼠标放置在一个按钮上保持一会儿，工具提示将告诉你一个按钮的名字（在工具栏或者命令面板上）。

2.“这是什么？”帮助

“这是什么？”帮助简要地描述了LightTools中的按钮和输入栏。这种类型的帮助的内容会显示在一个弹出窗口中，有两种激活它的方式。

l针对工具栏按钮和命令面板按钮的“这是什么？”帮助的激活方式：

⑴选择主菜单Help>What’s This?。⑵光标变成一个箭头和一个问号。

将光标放置在按钮上然后点击。⑶帮助的内容将以弹出窗口的形式显

示出来。

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l针对一个对话框中输入栏的“这是什么？”帮助

“这是什么？”帮助如今针对少数输入栏也是可用的：⑴将光标移动到输入栏上，右键点击，然后选择“What’s This”。⑵帮助的内容将以弹出窗口的形式显示出来。

3. LightTools联机帮助系统

主要的联机帮助系统包括详细的如何使用LightTools各个模块的资料，有两种方法可以进入LightTools联机帮助系统：从主菜单进入和从显示在对话框底部的帮助按钮进入。

使用主菜单（Help>Contents and Index）进入联机帮助系统，如下图所示，任何时候通过帮助菜单打开的帮助系统都会被显示在最前面。可以使用目录、索引以及搜索功能在帮助窗口中寻找你需要的内容。

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使用帮助按钮打开帮助系统将显示一个带有活动标号的页面。例如，如果你在属性对话框中点击帮助按钮，当“Materials”标号是活动的，你将看到关于指定材料属性的帮助，如下图所示。因为这是帮助系统的一部分，所以目录、索引、搜索功能在帮助窗口中都可用。

(1)联机帮助系统的特征

LightTools联机帮助系统包括：

l一个长方形的浏览器窗口，可以使你同时并排看到目录和你选择的主题。

l一个工具栏使你能够：

ü在左边面板显示或者隐藏制表符。

ü向前或者向后顺序浏览你选择的话题。

ü打印一个话题。

ü开启或者关闭你搜索的词的高亮显示。

l一个搜索制表符可以使你：

ü查看一个符合你搜索标准的主题的列表。

ü查找先前的结果。

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ü匹配相似的词。

ü只查找标题。

l浏览按钮使你能够顺序显示下一个或者以前的帮助屏幕。在每个帮助屏幕顶部或者底部的向左或者向右指向的浏览按钮箭头，可以使你像翻阅

一本书一样查阅帮助主题。

l一个可以使你快速浏览的列表。

(2)联机帮助文件

整个一套LightTools联机文件是可用的，它在电子文档库中，可以通过两种方法进入它：

l当LightTools正在运行，你可以选择Help>Document Library以便可用文件列表，如下图所示。

选择一个文件的名称，然后文件会在一个独立的窗口中由

Adobe Acrobat显示出来。

注意：Acrobat由LightTools的光盘提供。如果你的电脑上还没有安装，请详细查看LightTools安装目录下的\doc\README.txt文件中关于如何安装这个程序的内容。

要选择不同的文档，你可以在文档窗口的右上角点击菜单按钮，它将显示如下图所示的Acrobat菜单，或者你也可以回到LightTools窗口中的帮助菜单。

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l你也可以从Windows开始按钮（确定LightTools是否已经安装）进入电子文档库，具体方法是选择Start>

Programs>LightTools>Document Library。

像LightTools联机帮助系统一样，电子文档库有一个目录以及搜索功能帮助你找到需要的内容。

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第三章LightTools基础

LightTools的用户界面和传统的镜头设计程序的界面是不一样的。优于一些软件中用到的镜头的电子数据表（在LightTools中也是可用的），LightTools 中的主要用户界面是光学系统的绘图输出。

LightTools中的绘图输出是其固有的、交互式的、类似于很多CAD软件的输出方式。本章将简要介绍LightTools的绘图输出的整个概况并且将介绍一些基本的界面。这些基础的应用知识可以帮助你有效的使用LightTools。

一．LightTools设计视图窗口

LightTools的设计输出有三种类型：3D Design,2D Design以及Imaging Path(最后一个视图只在可选择的成像路径模块中可用)。所有这三个设计视图有相似的使用一般特征的图形输出方式。这种图形输出的基本框架如下图所示。

基本部分是menu bar, toolbar, layout pane, command line, and command panel,３个navigation windows和１个error window。Imaging path视图中在layout pane下有一个lens prescription table。

Menu bar和command panel是互斥的；没有相同的命令在它们中同时出现。相反地，toolbar是完全与其他部分交迭的，toolbar中的每一项内容都包含在其他部分中，或者在menu bar中或者在command panel中。

一般而言，menu bar是为了控制设置或者动作，例如定义区域、瞳孔、格子、删除、恢复删除的文件等等。

LightTools中大部分交互式的动作都发生在command panel中。它是一个工具，我们可以利用这个工具作为开始的基础，利用其中的一些功能完成一些操作，进行光线追迹等等。

３Ｄ设计视图的command panel中的一些命令按钮在２Ｄ设计视图的command panel以及Imaging Path视图的command panel中不存在，Imaging path 视图中甚至会缺少更多的这样的命令按钮。这是自然的，它是由于不同的设计视

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图的设计性能的不同造成的。

1．设计图案窗格

设计窗格以图形方式显示光学系统。设计图案窗格的界面完全是交互式的；通过鼠标的动作（或者通过命令）我们可以加入目标，修改目标，并且直接移动目标。

在３Ｄ设计视图中，设计图案窗格显示为四个窗格，分别为三个方向的视图加上一个等角投影的视图；如果需要的话，３Ｄ设计视图的设计窗格可以被改变为四个小视图中任一个视图窗格。下图显示了３Ｄ设计视图中的四个视图窗格。在２Ｄ设计视图和Imaging Path视图中，设计窗格只被显示为一个窗格，即Y-Z平面视图。

如上图所示，当所有四个窗格都被显示时，只有一个窗格是活动窗格。这个窗格的边界将被高亮显示。要选择一个窗格为活动窗格，只要点击窗格的任意位置即可。

改变设计图案窗格只显示一个活动窗格的方法是点击View > Pane Layout > 1 Pane或者点击工具栏中的１Pane按钮。恢复原来四个显示窗格的方法是点击Display > Pane Layout > 4 Pane或者点击工具栏中的４Pane按钮。

在设计图案窗格的右下角是滚动条和鼠标光标在试图上移动时的坐标。注意这种移动是在窗口中的移动，例如移动底部的滚动条到右边，则窗口向左边移动，而其中的镜头图像则向左边移动。

位于设计图案窗格上方的工具条是放大和缩小活动窗格视图的按钮。也有一个制作一个放大的窗口的按钮以及一个根据窗格的大小调整比例的按钮。

在设计图案窗格的下方是鼠标相对于用户坐标系统的坐标（将在下面的章节中介绍）。在３Ｄ设计视图中，X、Y、Z坐标是被标明的。在２Ｄ设计视图和Imaging Path view视图中，只有Y、Z坐标被标明。当你移动鼠标时，这些坐标会被更新。

无论任何时候当你点击活动的视图窗格时，都会有一个Ｘ显示在你所点击的地方，同时显示一个带有坐标的方括号。这个位置被称为当前位置，当前位置

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可以被改变，方法是在菜单栏中选择View > Set Current Point。

在设计图案窗格中的对象（例如透镜、３Ｄ对象、光线）都能够被选择、移动、编辑、涂色等等。这些功能在“Operations on Element”中有描述。

2．菜单栏

菜单栏位于设计窗格的顶端，通过鼠标的点击可以将它激活。点击一个菜单项就会显示一个下拉菜单，下拉菜单会保持显示状态除非你做了下面这些事情：ü选择菜单中的一个菜单项。

ü选择另一个下拉菜单项。

ü点击命令面板中的一个按钮。

ü点击屏幕的其他位置（包括任何LightTools窗口外的地方）

大部分菜单下面都只有一个下拉菜单。一些菜单项的名字后

面有一个向右指的箭头，这说明它下面有下级菜单。

任何后面有三个点（...）的菜单说明了点击此菜单项将显示一个对话框。这个惯例在所有LightTools菜单中都适用。

3．工具栏

工具栏位于菜单栏的正下方。工具栏是同样在菜单栏或者命令面板中存在的一些功能的快速入口。3D设计视图工具栏如下图所示。在2D设计视图和Imaging Path视图中，一些工具栏按钮是不可用的。

点击一个工具栏按钮将执行一项功能（例如调整设计图案的尺寸或者删除一个对象）或者开始一项功能（例如选择和移动）。在功能完成后，按钮将不再处于起作用的状态。为了再一次执行功能，你需要再次点击按钮。

4．命令行

命令行在设计图案窗格的下面。它包括一个输入命令用的输入区，在输入区上面是对下一个预期的动作的提示。下面的图显示了命令行。

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下一个预期的动作可以通过鼠标的点击、输入命令或者两种方式的混合来实现。例如，如果你选择了一个对象，例如一个透镜元件，并且你点击了工具栏上的移动按钮，那么移动命令就会显示在命令行里。你可以通过移动鼠标并且点击来往完成命令或者在命令行里输入一个新的位置坐标。

命令行是一种代替鼠标动作的快捷方式，同时也是一种输入精确数据的方式。在一些情况下，它是输入数据的唯一方式（例如输入一个比例因子）。

在命令行里输入的命令有两部分：命令本身以及相关的数据。命令和数据之间由空格分隔，它们之间可以有一个或者更多的空格或者tab来分隔。命令的完成（在输入数据后）也是由空格来表示的。因此，在命令行中输入的命令可以被可以被一个Return或者一个简单的空格终止。使用空格允许你输入多重命令或者在同一行上输入命令。

和坐标点有关的数据（例如X,Y,Z的位置坐标）之间用逗号分隔，而不是用空格来分隔。例如，指定一个XYZ坐标位置的命令必须如下所示：

tuGK，接着在绘图面板上点击两下鼠标，点击

右

一个帮助输入这些XYZ坐标位置的符号就是分号（；），引用分号来指定最后的位置（当前的点）。这很有用，它可以终止点击序列，这些序列通常需要双击（或者双倍的位置命令）来终止，例如输入一条直线。

有若干条涉及到位置坐标的命令，这些在

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在命令行中，当command panel中第三行没有对应的命令按钮被点击时，在命令行中就会显示

等等是典型的命令。在Ray Aberration

或者Spot Diagram视图中，一个典型的命令将是比例因子或者一个合适的命令。5．命令面板

命令面板位于输出窗口的右边。它由三行称为palettes的命令按钮组成。第一层的按钮包括一般的命令种类（镜头输入，3D对象，编辑等等）。第二层的按钮包括一般命令种类的子种类，第三层的按钮是属于字种类的实际的命令按钮。所有的命令行为都发生在第三层palettes中。下图显示了一系列透镜输入按钮的palettes。

在任何一层点击按钮就会发生相应的功能。

lightTools能够记忆哪些命令按钮是活动的。例如，第一层、第二层或者第三层的命令按钮是否已经被激活。如果第二层中一个的按钮被点击，就会显示相应的第三层中的按钮。如果点击一个第二层的按钮，显示了相应的第三层的按钮，那么之前处于激活状态的按钮仍然处于激活状态。

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在第三层按钮中，有很多命令按钮的图标上有数字，这些数字指出了需要完成此命令的鼠标的点击的次数和相应的点击位置。例如，绘制双凸透镜元件的命令（Sketch4PtLens）如下所示。

Sketch4PtLens按钮可以使你通过四次入图所示顺序的鼠标点击创建一个透镜。第一次点击将确定透镜第一面的顶点位置，接着的三次点击将确定透镜的形状。第五次点击将指定透镜相对于UCS坐标中Z轴的方向，这次点击将完成透镜的创建。最后一次点击也可以通过在命令行中输入一个分号，然后点击空格键来完成（这相当于一次鼠标点击，并且默认这次点击的位置在Z轴上）。

一些命令按钮图标上有一个字母n，这个字母指出了在命令行中需要输入的数字，一些命令图标上还有“str”,它指出了需要在命令行中输入文本字符串。例如，绘制一个库元件的命令按钮如下所示。这个命令按钮在命令行中对应的命是LibraryEle

Ment，帮助信息指出了“输入元件的名字”。这种情况下，在命令行中输入元件的名字，接着输入一个比例因子，然后鼠标点击以确定方向。

二．LightTools中的坐标系统

LightTools有两套坐标系统，全局坐标系统和用户坐标系统（UCS）。默认情况下，这两套坐标系统是一致的。使用这两套坐标系统你可以以很多方式定义坐标点。

1.全局坐标系统

LightTools中使用的全局坐标系统是右手系的坐标系统。在2D Design视图和Imaging Path view中，绘制的图案是在Y-Z平面中，Z轴通常被用来作为“光轴”（虽然在2D Design视图中不一定存在一个真正的光学光轴）。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/wove.html