OAS 光学分析软件 | 如何创建复杂的非序列物体

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这篇文章介绍了在 OAS 中，如何不以导入 CAD 文件的方式创建复杂的物体。您将学习到如何通过组合多个物体来创建复杂的非序列物体，如何利用参照物体锁定另一组物体以及在光学系统编辑器中如何复制一组物体（联系我们领取附件）。

简介

在 OAS 中，用户可以导入或创建物体来进行光学机械组件设计，当我们关注于设计而不是分析时，使用易于定义的参数化物体是较为方便的。参数化物体基于一个基本方程，该方程可以通过手动、滑块、宏或优化器等方式快速修改。OAS 有许多内置的参数化物体供我们使用或进行组合。本文将展示通过组合内置参数化物体创建复杂的物体，以及通过编辑器中的参数控制物体的形状。

参数化的物体定义方式让设计更简单

在 OAS 中，多数物体都是参数化的，即他们的定义依赖于某个基本的方程。例如，矩形体是通过如长、宽、高等参数来定义的。这样参数化的物体可以只通过修改组合体编辑器中的数据值就可以进行修改。当物体的数据被手动修改，或被工具、宏程序和扩展程序修改时，物体能够快速地重建。
OAS 同样支持非参数化的物体，如多边形物体 (Polygon Object) 或者导入的 CAD 物体 (Imported CAD Objects) 。这些物体最终由一系列数据表示。在某些应用中，使用非参数化的物体有很多优势，例如在进行复杂的光机杂散光分析中，透镜的底座和其他机械件可以通过非参数化的定义方式快速导入。但是在设计阶段，我们需要方便灵活的更改物体的参数，以得到我们想要的结果。参数化的物体定义是这种情况下的理想定义方式。在 OAS 中，支持多种参数化的物体定义方式，并且更多新的参数化物体定义方式还会持续添加进来。您可以在用户手册中找到这些物体定义方式的完整列表。此外， OAS 具有“机械模型”模块允许您定义自己的参数化物体：它是非常强大的常用自定义工具。您还可以通过组合已经存在的多个物体来创建一个新的复合物体，这是一个快速且灵活的，不需要编程的创建复杂物体的方式。使用这种方式的关键在于：
明确 OAS 支持的物体类型，您可以在用户手册中找到这些物体的完整列表。
用参考将多个子物体关联在一起，以实现改变个别已定义的参数，就可以自动更新组合物体中所有其他参数。
如果我们使用非参数化物体（如 CAD 物体）分析弯曲光管的效果，就必须创建许多个对应于不同半径的 CAD 文件，而使用参数化物体，我们可以在编辑器中通过参数控制物体形状，参数更改会立刻体现在物体建模上，免去了我们只能使用参数确定的多个文件的麻烦。

设置系统基本属性

本文示例的目的是创建一个90°弯曲的矩形丙烯酸树脂导光管，它通常用于电路板印刷过程中，将 LED （发光二极管）的光线中继到仪器面板上，并分析当弯曲半径改变时，导光管另一端的辐照度会产生怎样的变化。我们还将在导光管中创建一个孔，以方便插入装配结构。并且在导光管的末端放置一个圆形孔径，这样仪器面板上得到的光斑则为圆形。在创建导光管后，我们将复制它，并将副本放在距它一定长度的位置上。
如下图1所示为我们要创建的导光管。需要注意的是，导光管末端的辐照度分布随着弯曲半径的变化而变化。

图1 导光管3D图

探测器上显示出的多个椭圆光斑是由于光线在光管中发生了不同次数的全内反射导致的，我们可以从下图2中清晰的看到全反射现象：

图2 光线全反射

查阅用户手册中的非序列物体列表可以发现，所有物体中并没有符合我们想要的物体形状，然而我们可以通过组合矩形体和圆弧来创建。
让我们从头开始，一步步创建这个导光管。
打开 OAS ，点击“文件...新建”来新建一个非序列文件。打开“文件...设置”，设置传播方式为蒙特卡罗。打开“追迹...非序列设置...非序列设置” 中定义光线追迹，如图3所示。

图3 非序列追迹设置

创建导光管主体
矩形 Torus 体，设置如下参数：

在 OAS 中我们暂时无法直接创建一个矩形 Torus 体，所以我们使用6个表面对其建模。矩形 Torus 体如图4所示。

图4 矩形 Torus 体

首先我们要明白其中最为特殊的是两个圆弧面，在 OAS 中我们可以使用圆弧拉伸的方式进行建模。
打开“光学模型...实体与曲面...圆弧”，设置半轴40mm，起始角为0°，最终角为90°。在z方向上拉伸10mm其他参数默认。以同样的方式建立R=30mm的圆弧面。如图5、6所示。

图5 圆弧参数设置

图6 圆弧参数设置

查看布局图图7。

图7 布局图

然后，我们需要建立4个平面来补齐整个组合体。打开“光学模型...常用面..平面”。第一个平面为左平面，设置孔径参数和位置信息，其他参数默认，如图8所示。

图8 左平面参数

第二个平面为下平面，设置孔径参数和位置信息，其他参数默认，如图9所示。

图9 下平面参数

查看布局图图10。

图10 布局图

此时，我们还差两个环带状平面。在这里我们使用布尔运算来切割平面。如上文一样先建立平面，再进行布尔运算。前平面参数如图11所示。

图11 前平面参数

后平面参数如图12所示。

图12 后平面参数

查看布局图图13。

图13 布局图

为了方便，我们建立一个群组来集合这6个表面。如图14所示。

图14 矩形 Tourus 体群组

打开“矩形 Tourus 体”群组信息，对整体材料进行附加，如图15所示。

图15 “矩形 Tourus 体”群组信息

接下来我们来建立矩形体1，在 OAS 中我们可以直接对矩形体进行建模。

参数如下。

其他参数均为默认设置。

打开“光学模型...组合体...矩形体”，输入结构参数，第一个矩形体如图16所示。

图16 矩形体1参数

查看布局图观察物体结构。如图17所示。

图17 布局图

根据下列参数插入矩形体2：

其他参数均为默认设置。如图18所示。

图18 矩形体2参数

查看布局图图19。

图19 布局图

注意：我们使用群组（组合体）的方式进行材料附加，在物体接触面（如图19所指）需要进行材料修改。打开接触面（共有4个表面）信息，将材料1和材料2都改为 Acrylic。

在导光管上创建洞

下一步是在矩形体2上放置一个孔（材料是空气）。打开“光学模型...组合体...圆柱体”插入圆柱体，定义参数如下：

其他参数均为默认设置。如图20所示。

图20 圆柱体参数

查看布局图图21。

图21 布局图

在导光管末端放置光阑

为了在导光管末端放置一个圆形光阑，在 OAS 中可以通过布尔运算在末端进行切割。首先建立一个圆弧，参考导光管末端。打开“光学模型...实体与曲线...圆弧”，设置参数。如图22所示。

图22 曲线参数

此时，圆弧位于导光管末端，打开导光管末端表面“矩形体2.right”，利用布尔运算进行切割，并镀上全吸收膜。如图23所示。

图23 光阑设置

查看布局图图24。

图24 布局图

创建光源

为了追迹光线穿过导光管，我们需要在物体1的左侧插入一个矩形光源 (Source Rectangle) 物体，其参数设置如下所示：

其他参数均为默认设置。如图25所示。

图25 光源信息

将光线追迹至探测器

现在，我们放置一个探测器来进行光线追迹分析。在 OAS 中插入一个平面，将探测器附加上去。
平面参数如图26所示。

图26 平面1参数

将探测器附在该平面上。打开“光学模型...探测器...辐照度”

该探测器信息如图27所示。其他参数默认。

图27 探测器信息

点击追迹选项卡中的非序列追迹，探测器上的多个椭圆形光斑是由于光线经过不同次数的全内反射导致的。
查看布局图如图28所示。

图28 布局图

查看探测器图29。

图29 探测器

复制导光管

让我们来创建另外一个完全相同的导光管，并把它放置在与第一个导光管Z轴方向的20mm处。
点击“矩形 Torus 体”群组，使用快捷键进行复制粘贴。
打开新的群组信息，修改位置参数，将其向Z轴移动20mm，如图30所示。

图30 矩形 Torus 体2的位置信息

其他物体步骤同上一致。
查看布局图图31。

图31 布局图

现在，我们可以在布局图中看到两个距离为20mm的导光管了。
进行非序列追迹，查看探测器图32和图33。

图32 探测器1

图33 探测器2