如何利用Zemax OpticStudio模擬熱效應(yīng)

本文旨在說(shuō)明如何利用Zemax OpticStudio模擬熱效應(yīng)。Zemax OpticStudio熱效應(yīng)模擬功能能夠模擬折射率遇熱改變以及光學(xué)材料和機(jī)械結(jié)構(gòu)的熱脹冷縮。本文我們將模擬以下三種系統(tǒng)的熱效應(yīng)：

（1）平板玻璃

（2）庫(kù)克三片式鏡頭

（3）雙膠合透鏡

平板玻璃

首先在LDE中輸入我們系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)：

常溫下，平板玻璃的厚度和半直徑（Semi-Diameter）均為100，兩平板玻璃之間的距離為200。兩平板玻璃之間空氣的熱膨脹系數(shù)(Thermal Coefficients of Expansion，TCE)設(shè)定為23，單位為parts per million,簡(jiǎn)稱ppm。玻璃的熱膨脹系數(shù)（TCE）可以在Material Catalog中查詢。

其次，熱模擬之前我們還需要確保在System Explorer > Environment中，“Adjust Index Data To Environment”選項(xiàng)已經(jīng)勾選

本文案例

我們嘗試將溫度升高到500℃，查看平板玻璃的厚度如何變化。

1、打開多重組態(tài)編輯器并列出所有會(huì)受到溫度影響的參數(shù)

在本例MCE中，我們?cè)O(shè)定的第一個(gè)組態(tài)為20℃。第二個(gè)組態(tài)為500℃。同時(shí)列出所有會(huì)受到溫度影響的參數(shù)：第1、4面的厚度和半直徑以及第2、3面的厚度。

2、對(duì)第二個(gè)組態(tài)中的所有參數(shù)設(shè)定熱拾取求解

對(duì)第二個(gè)組態(tài)中的所有參數(shù)設(shè)定熱拾取求解，這個(gè)求解功能是讓Zemax OpticStudio利用內(nèi)建的熱縮放工具來(lái)計(jì)算熱系數(shù)，我們可以看到在MCE中看到各個(gè)影響參數(shù)的熱膨脹變化。也可以再次打開3D Layout并設(shè)定同時(shí)觀察兩個(gè)組態(tài)。如下圖，上面的是高溫度組態(tài)（500℃）計(jì)算出的結(jié)果，下面為常溫（20℃）組態(tài)下的計(jì)算結(jié)果。

3、假設(shè)第二個(gè)組態(tài)中第3、4個(gè)面處于1000℃的高溫，其他元件仍然在500℃的溫度

我們需要再插入一個(gè)TEMP操作數(shù)。在第二個(gè)TEMP之后的面的溫度將會(huì)與第一個(gè)TEMP到第二個(gè)TEMP之間的面的溫度不同。如下圖，在面1和面2操作數(shù)之后插入TEMP，設(shè)定第一個(gè)組態(tài)溫度仍然為20℃，第二個(gè)組態(tài)為1000℃。結(jié)果如下圖所示：在第二個(gè)組態(tài)中，現(xiàn)在面3的厚度大于面2的厚度。

如上，在LDE中輸入系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)。勾選“Adjust Index Data To Environment”選項(xiàng)。

除了以上方法，我們還可以我們還可以利用Zemax OpticStudio內(nèi)建的工具自動(dòng)插入所有所需參數(shù)操作數(shù)。打開MCE，點(diǎn)擊菜單欄上的Make Thermal工具即可。

除了標(biāo)準(zhǔn)溫度（組態(tài)1），我們還需要再插入兩個(gè)組態(tài)，分別為-20℃和40℃。因此在模擬過(guò)程中一共有三個(gè)組態(tài)。具體設(shè)定如下圖。

同時(shí)按下(Ctrl+A)可以切換組態(tài)，觀察系統(tǒng)熱效應(yīng)。

雙膠合透鏡-

  去除系統(tǒng)對(duì)熱的敏感性

Zemax OpticStudio除了可以模擬熱效應(yīng)，也支持使用者優(yōu)化以去除系統(tǒng)的熱敏感性。接下來(lái)我們將示范如何讓一個(gè)雙膠合透鏡在20℃和100℃之間的RMS波前差最小化。

1、觀察兩組態(tài)之間OPD圖的差異

此系統(tǒng)中第一個(gè)組態(tài)參考溫度為20℃，第二個(gè)組態(tài)為100℃。按照上面的熱模擬步驟，我們已經(jīng)利用Make Thermal工具插入了所有因素的操作數(shù)并在MCE中熱拾取求解。觀察兩個(gè)組態(tài)的OPD圖，可以看出兩組態(tài)之間的差異比較明顯。

2、利用Hammer優(yōu)化替換玻璃材料以除去此系統(tǒng)的熱效應(yīng)

為了避免由于兩個(gè)玻璃材料的熱膨脹率差異太大引起兩玻璃接合處壓力過(guò)大從而使透鏡破裂，在替換玻璃的過(guò)程中，我們希望兩個(gè)玻璃之間的TCE差異小于1ppm。同時(shí)，為了使透鏡系統(tǒng)維持不變，我們?nèi)孕柙偌由弦粋€(gè)有效焦距的設(shè)置（100mm）。

下圖為評(píng)價(jià)函數(shù)編輯器中的各項(xiàng)設(shè)定：

第二行EFFL操作數(shù)可以確保此雙膠合透鏡的有效焦距為100mm。

第三行至第七行為限制兩玻璃之間膨脹系數(shù)差小于1ppm的操作數(shù)。注意我們并沒(méi)有直接限制膨脹系數(shù)，而是限制兩玻璃之間差值小于1ppm。

在MCE中，也可以看到兩個(gè)玻璃都有一個(gè)S符號(hào)，這代表兩玻璃材料被設(shè)定為可替代“Substitution”，即在Hammer優(yōu)化過(guò)程中，可以替換兩片玻璃材料以獲得最佳解。

3、點(diǎn)擊Optimize > Hammer優(yōu)化工具，開始優(yōu)化直至優(yōu)化結(jié)束

點(diǎn)擊Optimize > Hammer優(yōu)化工具，開始優(yōu)化直至優(yōu)化結(jié)束。優(yōu)化結(jié)束后，再次打開兩組態(tài)下的OPD圖，可以看出優(yōu)化后兩組態(tài)之間的差異很小，幾乎可以看作是一樣的。同時(shí)也可以查看評(píng)價(jià)函數(shù)中兩玻璃材料的TCE值確實(shí)小于1ppm。

總結(jié)

此文章示范了如何使用Zemax OpticStudio進(jìn)行熱模擬?？偨y(tǒng)來(lái)說(shuō)需要注意一下幾點(diǎn)：

（1） 所有會(huì)受到溫度影響的參數(shù)都必須列在MCE中；

（2） 在MCE中使用溫度拾取求解，OpticStudio會(huì)自動(dòng)計(jì)算溫度對(duì)參數(shù)的影響；

（3） Make Thermal工具提供了更加方便的途徑可一次性插入所有參數(shù)以及溫度拾取求解到MCE中。