如何利用 OpticStudio模拟热效应摘要：本文旨在说明如何利用OpticStudio模拟热效应。附件为提供的范例档案。
原文作者：Nam-Hyong Kim
原文发布时间：07/21/2006
热效应模拟功能
OpticStudio热效应模拟功能能够模拟折射率遇热改变以及光学材料和机械结构的热胀冷缩。本文我们将模拟以下三种系统的热效应：（1）平板玻璃（2）库克三片式镜头（3）双胶合透镜
（1）平板玻璃的热效应模拟
打开附件中的“thermal_flat_glass.zmx”，系统3D图如下所示：
在此光学系统中，常温下，平板玻璃的厚度和半直径（Semi-Diameter）均为100，两平板玻璃之间的距离为200。因为入射光为平行光并且光学元件的表面都是平面，所以温度变化并不会影响光束质量只会影响平板玻璃的厚度。接下来，我们尝试将温度升高到500℃查看平板玻璃的厚度如何变化。尽管现实中我们不会将温度升高到如此高，但是此方式能让我们更加直观的看到温度变化对系统外形的影响。
注意两平板玻璃之间空气的热膨胀系数（Thermal Coefficients of Expansion，TCE）设定为23，单位为parts per million,简称ppm，这与铝的热膨胀系数非常接近。对于材料为空气的区域，OpticStudio假设元件之间的间隔物为无限薄的圆柱壳，圆柱壳的半径为两端空气面（air surface）的半直径值。随着温度的升高，间隔物会同时在Z轴、XY平面的径向方向膨胀。此例中元件为平板玻璃，因此间隔物径向方向上的膨胀对元件的中心厚度并没有影响。但是请注意一般情况下，间隔物的径向膨胀会影响两表面之间的中心厚度，因为镜片与间隔物接触部分的高度会随温度变化。
玻璃的热膨胀系数（TCE）可以在Material Catalog中查询。
下面我们将展示如何模拟热膨胀，首先我们需要在多重结构中添加那些会受到热影响的参数，并设定热拾取求解（Thermal Pickup Solve），以确保这些参数会随着温度正确的缩放。模拟热效应步骤如下：
打开多重结构编辑器（MultipleConfigurationEditor，简称MCE），并列出所有会受到温度影响的参数。
在本文MCE中，我们设定的第一个结构为20℃。第二个结构为500℃。同时列出所有会受到温度影响的参数：第1、4面的厚度和半直径以及第2、3面的厚度。然后对第二个结构中的所有参数设定热拾取求解（如下图所示）。这个求解功能是让OpticStudio利用内建的热缩放工具来计算热系数。
简易系统的热模拟
注意观察热拾取求解后，第二个结构中各个参数随温度变化情况将会自动计算出来。
打开3D Layout并设定同时观察两个结构，如下图，上面的是高温度结构（500℃）计算出的结果，下面为常温（20℃）结构下的计算结果。
我们可以直观的看到热膨胀对第二个平板玻璃的影响，同时，我们也可以在多重结构编辑器中看到玻璃半直径和厚度的变化。
现在，我们假设第二个结构中第3、4个面处于1000℃的高温，其它元件仍然在500℃的温度。因此，我们需要再插入一个TEMP操作数。在第二个TEMP之后的面的温度将会与第一个TEMP到第二个TEMP之间的面的温度不同。如下图，在面1和面2操作数之后插入TEMP，设定第一个结构温度仍然为20℃，第二个结构为1000℃。结果如下图所示：在第二个结构中，现在面3的厚度大于面2的厚度。
库克三片式镜头热效应模拟
接下来我们将模拟库克三片式镜头的热效应，打开/Samples/Sequential/Objectives/Cooke 40 degree field.zmx。在这个范例中，面6的曲率半径被设定为边缘光线角度求解（Marginal Ray Angle Solve），这个求解功能旨在自动改变曲率，以符合使用者指定的边缘光线角度。但这并不是我们所需要的，因此在热分析前需要取消这个求解。此外，热模拟之前我们还需要确保在System Explorer > Environment中，“AdjustIndex Data To Environment”选项已经勾选，否则MCE中设定的温度将不会正确影响的透镜的折射率。这一点我们在前一个例子中并没有特别说明。
此外，除了手动的将所有会受到温度影响的参数的操作数输入到MCE中，我们还可以利用OpticStudio内建的工具自动插入所有所需参数操作数。打开MCE，点击菜单栏上的Make Thermal工具即可。
除了标准温度（结构1），我们想要在插入两个结构，分别为-20℃和40℃。因此在模拟过程中一共有三个结构。具体设定如下：
点击OK后，MCE平面如下：
同时按下Ctrl+A可以切换任意结构，查看其内容有何变化。
双胶合透镜——消除系统对热的敏感性
OpticStudio除了可以模拟热效应，也支持使用者优化以消除系统的热敏感性。接下来我们将示范如何让一个双胶合透镜在20℃和100℃之间的RMS波前差最小化。打开附件中的athermalization.zar。
此系统中第一个结构参考温度为20℃，第二个结构为100℃。按照上面的热模拟步骤，我们已经利用Make Thermal工具插入了所有因素的操作数并在MCE中热拾取求解。观察两个结构的OPD图，可以看出两结构之间的差异比较明显。
接着，利用Hammer优化替换玻璃材料以除去此系统的热效应。为了避免由于两个玻璃材料的热膨胀率差异太大引起两玻璃接合处压力过大从而使透镜破裂，在替换玻璃的过程中，我们希望两个玻璃之间的TCE差异小于1ppm。同时，为了使透镜系统维持不变，我们仍需再加上一个有效焦距的设置（100mm）。
下图为评价函数编辑器中的各项设定。
第二行EFFL操作数可以确保此双胶合透镜的有效焦距为100mm。
第三行至第七行为限制两玻璃之间膨胀系数差小于1ppm的操作数。注意我们并没有直接限制膨胀系数，而是限制两玻璃之间差值小于1ppm。
在DMFS操作数以下的部分是使用优化向导工具建立的RMS波前评价函数操作数。
在MCE中，可以看到两个玻璃都有一个S符号，这代表两玻璃材料被设定为可替代“Substitute”，即在Hammer优化过程中，可以替换两片玻璃材料以获得最佳解。
至于替换玻璃的来源则依据使用者在System Explorer > Material中指定的材料库。
Hammer优化会自动找到那些与优化前形式接近但性能更好的设计。记住，如果需要优化玻璃材料，必须要使用Hammer或者Global Search。
点击Optimize > Hammer优化工具，开始优化直至优化结束。优化结束后，再次打开两结构下的OPD图，可以看出优化后两结构之间的差异很小，几乎可以看作是一样的。同时也可以查看评价函数中两玻璃材料的TCE值确实小于1ppm。
此文章示范了如何使用OpticStudio进行热模拟。总统来说需要注意一下几点：
（1）所有会受到温度影响的参数都必须列在MCE中；
（2）在MCE中使用温度拾取求解，OpticStudio会自动计算温度对参数的影响；
（3）Make Thermal工具提供了更加方便的途径可一次性插入所有参数以及温度拾取求解到MCE中。
发表于 2017-9-14 15:15
发表于 2017-9-14 21:48
