如何在 OpticStudio 中模擬熱效應


如何在 OpticStudio 中模擬熱效應

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摘要:本文章示範如何在OpticStudio中模擬熱的能力。並附件提供範例檔案以說明。
原文連結:How to Model Thermal Effects Using Zemax
原文作者:Nam-Hyong Kim
原文發布時間:July 21, 2006
文章附件:檔案下載


熱模擬功能
OpticStudio的熱模擬功能能支援折射率遇熱改變以及元件外型遇熱膨脹收縮兩種效應。
在這篇文章中,我們會示範三種系統的熱效應:一個是平板玻璃、一個是Cooke三件玻璃組、一個是雙透鏡組。
請開啟範例檔案中的 “Thermal_Flat_Glass.ZAR” 如下:


在這個特製的範例中,系統光束是完美平行光,而元件都是平面的,因此溫度的改變只會對平板厚度造成影響,而不過會光束品質有任何改變。在常溫的時候,我們可以看到玻璃窗的厚度跟半直徑 (Semi-Diameter) 都是100,而兩平板玻璃之間間距則是200。讓我們來測試看看如果系統溫度從20度升高到500度會如何。500度可能有點不真實,但會讓我們可以在Layout上觀察系統外觀變化。


注意兩玻璃窗之間空氣的熱膨脹係數 (Thermal Coefficients of Expansion,TCE) 被設為23,單位是parts per million,簡稱ppm,這個數字接近於鋁的熱膨脹係數。對於材料是空氣的區域,OpticStudio假設元件之間的間隔物是無限薄的圓柱殼,此圓柱的半徑即是在鏡頭數據編輯器中,空氣面 (air surface) 的半直徑值。當系統開始加熱時,空氣間隔會同時在Z方向以及徑向方向 (XY平面) 上膨脹。在這個範例中,因為元件是平板玻璃,因此間隔材料在徑向方向的膨脹對於元件的中心厚度沒有影響。
請注意,一般來說,間隔物的徑向膨脹會影響兩表面之間的中心厚度,因為鏡片與間隔機構接觸部分的徑向高度也在改變。
膨脹係數 (TCE) 可以在Material Catalog中查詢。


要模擬熱膨脹,我們需要在多重組態中設定那些會受到熱影響的係數,並設定熱拾取求解 (Thermal Pickup Solve),以讓這些參數會根據溫度正確縮放。要模擬熱效應,請參考以下步驟:
首先打開多重組態編輯器 (Multi-Config Editor,MCE)
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/034afa6a-5623-4041-8c16-9b79.png

所有會受到熱影響的參數都應該列在MCE中,可以看到我們設定第一個組態是20度,而第二個組態是500度。
然後給所有第二組態中的參數都設定熱拾取求解,拾取指定到第一組態。第一組態的設定是參考溫度20度。


這個求解的功能是讓OpticStudio利用內建的熱縮放工具來計算熱係數。

簡易系統的熱模擬
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/897bf6ad-00a2-4c24-b70d-67d4.png

注意第二組態中的數字會依據溫度而自動計算出來。
打開3D Layout並設定同時檢視兩個組態可以看到如下,下圖中,比較上面的是較高溫的組態結果。


我們可以很清楚看到熱膨脹對第二個平板玻璃的影響,這也可以在多重組態編輯器中的玻璃窗後以及半直徑值確認到。
現在讓我們架設只有第二組態中的第3、4面是處在1000度的高溫下,其餘元件仍是在500度下。我們需要插入額外的TEMP操作數,在第二個TEMP之後設定的面的溫度將會跟第一個TEMP到第二個TEMP之間的面不同。
在所有跟面1與面2有關的操作數之後插入TEMP,並指定第一組態中溫度仍然是20度,而第二組態中是1000度。
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/5466a58f-6c9c-4ee1-9170-7ce1.png

注意在第二組態中,面3的厚度現在大於面2了。



Cooke三鏡片組的熱模擬
在這個段落中,我們將會使用內建Cooke Triplet範例來示範熱模擬。請開啟/Samples/Sequential/Objectives/Cooke 40 degree field.zmx。
這個範例檔案中面6的Radius上有一個邊緣光線角度求解 (Marginal Ray Angle Solve),這個求解的功能是自動改變曲率,以符合使用者指定的邊緣光線角度。而這不是我們希望的,我們應該在開始熱分析之前取消這個求解。
此外,前一個範例中,我們沒有特別說明的是,要讓熱能夠正確影響折射率,我們還需要到System Explorer > Environment中,勾選 “Adjust Index Data To Environment”。不勾選的時候,在MCE中設定的溫度將不會正確影響鏡片折射率。
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/19cc6a49-9ab8-42fd-8f64-e280.png

此外,比起手動把所有需要的操作數輸入到MCE中,我們將需要使用OpticStudio內建的工具來插入所需的參數到MCE中。
打開MCE並點擊上面的Make Thermal工具。
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/65c374dc-ef53-4024-9e2a-8755.png

除了標準溫度 (組態1),我們想要在加入兩個組態,分別是-20度以及+40度,因此總共會有3個組態。設定畫面如下:
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/65b7ec30-fdca-4cc8-bea8-0df3.png

點一下OK之後就可以看到MCE畫面如下:


現在你可以試著切換祖態 (Ctrl+A),然後看看分析視窗顯示內容有哪些變化。



去除系統對熱的敏感性
OpticStudio允許模擬熱效應,同時也能夠讓使用者優化以去除熱敏感性。在這個段落中,我們要示範讓一個雙合透鏡在20度與100度之間的RMS波前差最小化。
請開啟附件的athermalization.zar檔案。
此系統中的第一組態是處於參考溫度的20度,而第二組態是100度。我們已經利用Make Thermal工具來插入所有操作數以及MCE中的溫度拾取求解了。
可以看到兩個祖態之間的OPD圖確實不一樣。


我們將會利用Hammer優化器替換玻璃,而去除此設計的熱效應。在替換玻璃中,我們還希望可以維持兩個玻璃的TCE值差異小於1 ppm,這是為了避免兩個玻璃膨脹率差異太大,導致接合處壓力過大破裂。最後我們還得加上有效焦距的限制 (100 mm),讓此雙合透鏡的設計維持不變。
請小心地確認評價函數編輯器中的各項設定。
第二行的EFFL操作數可以確保此雙合透鏡的有效焦距維持為100 mm。
第3到第7行則被用來限制兩玻璃之間的膨脹係數差。注意我們沒有直接限制膨脹係數,而是限制兩玻璃之間的差必須小於1 ppm。


其餘在DMFS操作數以下的部分,都是使用優化精靈工具建立的RMS波前預設評價函數。


可以看到這兩個玻璃在MCE中有一個S的符號,代表 “Substitution” 的求解設定,這表示在Hammer優化過程中,這兩個玻璃都會被替換,以尋找最佳解。
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/a818457c-1593-43c5-8c7b-d9eb.png

至於替換的玻璃來源則是依據使用者在System Explorer > Material中指定了那些材料庫:


Hammer優化主要會找出那些形式與優化前接近,但效能更好的設計。記住,如果要優化玻璃選擇,必須要使用Hammer或Global Search其中一種。
現在請點一下Optimize > Hammer開啟工具,並點一下Start後,讓系統優化個幾分鐘後再停止。
可以看到優化後的系統OPD在兩個結構/溫度之間差異很小,幾乎是一樣的。
你也可以在評價函數中看到兩玻璃的TCE差異確實也小於1 ppm。





結論與參考資料
此文章示範了如何使用OpticStudio的熱模擬功能。總結來說:
* 所有會受到溫度影響的參數都需要被列在MCE中。
* 我們在MCE中使用溫度拾取求解,以讓OpticStudio自動幫你計算溫度的影響。
* Make Thermal工具提供了一個方便的途徑,讓你可以一次自動插入所有的參數以及溫度拾取求解到MCE中。

Attachments
athermalization.zar (7 views, 315.00 KB)
thermal_flat_glass.zar (1 view, 326.00 KB)
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