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概述

基于Ansys Speos軟件,可以準確建立光學系統(tǒng)模型并進行成像效果仿真。在使用Speos進行光學系統(tǒng)設計過程中,當完成初始光學系統(tǒng)建模后,還需要進一步結合仿真結果,調整出滿足設計要求的系統(tǒng)參數,如果采用手動調整參數并執(zhí)行多次仿真的方式,會大大影響設計效率。借助Ansys Workbench的優(yōu)化功能,通過設置設計目標和約束條件,可以驅動Speos仿真流,自動修改設計參數并執(zhí)行仿真計算和優(yōu)化設計,從而準確高效地獲得符合設計要求的設計參數。本文以全反射透鏡Total Internal Reflection (TIR Lens)為例,介紹利用Workbench直接優(yōu)化工具驅動Speos自動化仿真從而實現準直全反射透鏡優(yōu)化設計的方法。

Speos透鏡設計及仿真
Speos的光學元件設計模塊(Optical Part Design,OPD)可以用于設計全反射透鏡、菲尼爾透鏡和光導管等等,本文案例利用OPD模塊實現對TIR Lens的建模。本次透鏡設計的主要目標是在照度探測器上的測試區(qū)域內得到盡量均勻的光照,所以主要考慮的是RMS值,越小的RMS值表示均勻性越好。TIR Lens的光學參數和光路邏輯如圖1中所示,包括內表面半徑、外表面半徑、透鏡厚度和基面位置等等。如果沒有可以參考的光學參數,可以先使用Speos軟件默認的參數進行建模仿真,仿真要注意設置透鏡整體為透明玻璃,外表面為全反射,透鏡到照度探測器的距離為1 m?;谲浖J的設計參數,TIR Lens照度仿真結果中的目標區(qū)域RMS值為0.74,體現出的照度均勻度較差,需要采用Workbench的直接優(yōu)化功能對設計參數進行優(yōu)化,以獲得均勻度更好、滿足RMS值要求的設計結果。

 

圖1. TIR Lens 設計參數

 

圖2. 初始輸入參數、模型和仿真結果

 

 

圖3. 初始平均照度、照度和RMS值仿真結果

 

Workbench優(yōu)化流程構建
Workbench基于相關性分析或實驗設計 (DOE) 算法(比如拉丁超立方體抽樣、中心復合設計或稀疏網格法)創(chuàng)建設計點列表,DesignXplorer 可驅動 Workbench 調整參數變化,然后存儲并分析結果。在優(yōu)化開始之前,首先需要在Workbench中構建Speos和DesignXplorer兩個程序的連接:1、打開Workbench,新建一個項目,將Speos分析系統(tǒng)拖入項目原理圖中,右鍵Geometry,導入幾何結構,雙擊或右鍵仿真任務選擇生成參數,Speos自動啟動。2、在Speos中定義要導入Workbench的輸入參數:選擇TIR Lens 設計中的參數。在DesignXplorer中拖入直接優(yōu)化,右鍵優(yōu)化對目標和約束進行設置,包括運行時間、容差設置、候選數量。

 

圖4.  Workbench構建工作流程

 

Workbench優(yōu)化目標與約束設置
在目標定義過程中,如果僅設置RMS值為優(yōu)化目標,可能會導致光過度擴散,因此可以同時設置平均照度和光通量大于一定的值。設置優(yōu)化目標:P7-平均照度大于30000 lx,P8-光通量大于400 lm,P9-RMS小于目標值0.4,這里要注意上限或下限設置值過低或過高,會導致計算結果不收斂而無法求得滿足要求的設計結果。設置參數約束:影響優(yōu)化目標的光學參數受到結構尺寸的影響需要約束設計區(qū)間。根據設置的運行時間,程序會自動計算步長。運行直接優(yōu)化,右鍵單擊優(yōu)化、更新即可啟動優(yōu)化程序。在計算結束時,軟件會保留達到預期結果的候選值。優(yōu)化時可以從Table視圖查看Direct optimization任務的優(yōu)化進度。

 

圖5. 優(yōu)化界面

 

圖6. 參數定義

優(yōu)化結果分析
當優(yōu)化圖標從閃電變?yōu)椤虝r,表示優(yōu)化完成。雙擊打開優(yōu)化任務,可以在輪廓原理圖中打開監(jiān)控來查看目標的計算過程。從結果中查看優(yōu)化約束、優(yōu)化方法和候選點。點擊候選點可以查看具體約束數值和目標數值。從圖8 優(yōu)化候選點中可以看出,三個候選點的RMS值均下降至0.35左右,相較于初始的0.74 ,均勻度得到明顯提升。為了更加直觀地查看優(yōu)化結果,可以把候選點依次帶回Speos進行仿真驗證。

圖7.優(yōu)化結果

 

圖8. 優(yōu)化候選點

 
將優(yōu)化后的TIR Lens 結構參數帶回到Speos軟件中進行仿真,在仿真照度結果中可以看到候選點3的結果中間沒有明顯暗斑,且平均照度和光通量數值都較高,說明候選點3是本案例中獲得的理想結果。

 

圖9. Speos仿真優(yōu)化結果

總結
本案例介紹了一種全反射透鏡的自動優(yōu)化設計方法:通過Workbench創(chuàng)建整個優(yōu)化工作流,驅動Speos自動計算多個設計點得出符合優(yōu)化目標的解。本文所采用的透鏡模型是Speos OPD模塊中的全反射透鏡模型,相關方法同樣適用于光導管、全反射面和菲尼爾透鏡等Speos中的其他模型。結合Workbench構建工作流提供的優(yōu)化環(huán)境和Speos基于物理的仿真,可以進一步提升設計能力和工作效率。

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