如何利用Zemax OpticStudio模擬熱效應(yīng)

本文旨在說明如何利用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受到溫度影響的參數(shù)

在本例MCE中，我們設(shè)定的第一個組態(tài)為20℃。第二個組態(tài)為500℃。同時列出所有會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、對第二個組態(tài)中的所有參數(shù)設(shè)定熱拾取求解

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

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

我們需要再插入一個TEMP操作數(shù)。在第二個TEMP之后的面的溫度將會與第一個TEMP到第二個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)定第一個組態(tài)溫度仍然為20℃，第二個組態(tài)為1000℃。結(jié)果如下圖所示：在第二個組態(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。

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組態(tài)，分別為-20℃和40℃。因此在模擬過程中一共有三個組態(tài)。具體設(shè)定如下圖。

同時按下(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。接下來我們將示范如何讓一個雙膠合透鏡在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)中第一個組態(tài)參考溫度為20℃，第二個組態(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)

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

下圖為評價函數(shù)編輯器中的各項設(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，也可以看到兩個玻璃都有一個S符號，這代表兩玻璃材料被設(shè)定為可替代“Substitution”，即在Hammer優(yōu)化過程中，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。同時也可以查看評價函數(shù)中兩玻璃材料的TCE值確實小于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)來說需要注意一下幾點(diǎn)：

（1） 所有會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會自動計算溫度對參數(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。