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[技术文章] OpticStudio 如何模拟机械结构的热膨胀效应

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  • TA的每日心情
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    2024-4-24 10:01
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    发表于 2017-9-11 21:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
    OpticStudio如何模拟机械结构的热膨胀效应
    摘要:本文介绍了如何利用OpticStudio 镜头编辑器中TCE(热膨胀系数)模拟镜片之间的机械结构。
    原文作者:Nam-Hyong Kim
    应用范围:热分析


    镜片机械结构的热膨胀分析
         在OpticStudio中,镜片之间的机械机构或者分隔物是由无限薄的圆柱壳表示的。圆柱壳两端的半径大小与两端表面的半直径(Semi-Diameter)相等。因此,在热分析时,透镜的半直径必须设置为镜筒与镜面接触的位置的高度。使用者可自定义的孔径,使得软件所画图为透镜真实大小。文章中的图片均是根据这种方法所画。
        镜头数据编辑器(LDE)中的TCE栏可以设置间隔环的热膨胀系数(ThermalCoefficient of Expansion,TCE)。从本文范例中的LDE可以看出,由于系统的表面不是平面,所以间隔环的长度大于空气中心厚度。随着温度变化,间隔环会在XYZ三个方向上膨胀或者收缩。中心厚度也会随之改变,值得注意的是中心厚度是由间隔环厚度和镜片曲率共同作用的结果。
        在标准系统温度下,间隔环的半直径和与其接触的玻璃表面(范例中的面2面3)的半直径相等。当TCE不同时,间隔环和透镜的半直径将会发生不同程度的变化。因为半直径代表在标准温度下镜筒机械结构与透镜物理上实际相交的位置。因此,热分析时,我们应该设定为实际上与镜筒相交的位置。
    接下来看看本文范例系统:





        在参考(ref)/标准(nominal)/系統(system)温度下,系统间隔环在80mm高的位置与前方透镜接触,在100mm高的位置与后方透镜接触。理论上,间隔环的样子应如下图shaded model中的黄色部分所示。打开3D layout图,为了让镜筒的半直径可以在两个透镜中间改变,我们在系统中增加了两个虚拟平面(dummy surface)。


    下面动图,演示了间隔环和镜片随温度变化的不同的膨胀速率(由不同的膨胀系数造成)

        当间隔环的TCE设置为0时,间隔环的长度不会随温度的改变而改变。但是两透镜的曲率仍会随温度的变化而变化,因此两透镜之间中心厚度也会随之改变。如下动图所示:

    范例1:间隔环的TCE为0
    以上文系统为例,在MCE中设置“MakeThermal”来产生多温度系统:

    接着,我们选定一个温度与初始系统20℃对比。为了简化问题,我们设置温度为120℃(dt =100℃)。

        在附件中可以下载此系统,文件名为:“Thermal Expansions example zeroTCE.zar”。系统设置镜片之间的间隔环TCE为0。上文我们提到过,当间隔环TCE为0时,两透镜之间的中心厚度仍然会随之温度改变而改变。因为每个透镜的曲率半径仍然会随着温度变化。以下我们将示范如何精确的计算新的中心厚度。
        当间隔环TCE为0时,间隔环的厚度保持不变。间隔环的厚度是指第一个透镜后表面最大半径与第二个透镜前表面最大半径之间的距离。在预设温度下(通常为20℃),OpticStudio假设间隔环的前孔径和后孔径与透镜表面的孔径一样大。在本文范例中,间隔环在面2的半径为80mm,在面3的半径为100mm.
        间隔环的厚度可以通过20℃(结构1)时,前后两面的矢高(sag)以及中心厚度相加得到。我们可以在评价函数编辑器中看到相关计算。比较后可以看出上述计算结果与直接使用ETVA计算出的结果相等。

        结构2中温度升高为120℃,每个透镜的孔径都会变大。因为间隔环的TCE值为0,所有间隔环的孔径大小不变。因此,间隔环的厚度仍然可以利用面2半径80mm处到面3半径100mm处的距离计算。在120℃下,半径曲率变化后,半径处的矢高也会随之变化。利用新的表面矢高以及20℃时间隔环的厚度,我们可以计算两透镜之间新的中心厚度。在评价函数编辑器第二个区域中可以看到相关计算。同样,上述计算方法计算结果依然与单独使用CTVA计算结果相同。

    范例2:间隔环TCE不为0
       当间隔环的TCE不为0时,计算两透镜之间的中心厚度将会更加复杂。附件中“Thermal Expansion examplefinite TCE.zar”为TCE不为0时系统。
       在此范例中,间隔环的TCE值为23.6 x 10^-6 C^-1,这是铝的标准膨胀系数值。由于间隔环的TCE值大于玻璃的(N-BK7为7.1 x 10^-6C^-1)TCE值。当温度从20℃升高到120℃时,间隔环半径的膨胀程度将会大于透镜的膨胀程度。下面将演示如何计算新的中心厚度:
        评价函数的第一部分依然是计算间隔环在20℃的厚度,评价函数下面则是计算。间隔环和透镜孔径放大的比例。

    接着计算新的间隔环和透镜半直径大小,以及相对应的矢高:

        从上图可以看出,间隔环半直径膨胀到80.189mm和100.236mm。相对应的透镜仅膨胀到80.057mm和100.071mm。在前一部分,我们使用间隔环的孔径计算了间隔环的厚度,这是因为高温时间隔环的半径比透镜小。但在这个例子中则相反,因此我们需要采用透镜的半径来计算新的间隔环厚度。
        在间隔环的孔径变大时,新的间隔环厚度为:
    间隔环厚度@间隔环孔径 = (间隔环厚度@20℃)*(1+TCE*dT)=161.311*(1+23.6 x 10^-6 * 100) = 161.692mm
        但是实际的间隔环的厚度必须以透镜的孔径来计算,因为这里的透镜孔径小于间隔环孔径,在本问范例中,在透镜孔径下间隔环的厚度等于:
        间隔环厚度@间隔环孔径 = 间隔环厚度@间隔环孔径 - (d1-d2)
        其中d1=面2矢高@透镜孔径-面2矢高@间隔环孔径
        d2=面3矢高@透镜孔径-面3矢高@间隔环孔径
        从评价函数中,我们可以看到:
        d1 = -23.131 mm - (-23.214 mm) = 0.083 mm
        d2 = 38.224 mm - 38.372 mm = -0.148 mm
        d1 - d2= 0.083 mm - (-0.148 mm) = 0.231 mm
        间隔环厚度@透镜孔径= 161.692 mm- 0.231 mm = 161.461 mm
    以上的计算过程写在评价函数的第三部分,其计算结果和使用ETVA所计算得来边缘厚度完全相同(由于四舍五入,此数值与上面手动计算有些许不同):

    两透镜之间的中心厚度也是间隔物厚度以及矢高计算得来,但这次我们要在透镜孔径处计算:

    再一次看到,我们的计算结果与CTVA直接计算结果相同。
    注意:
        在计算透镜孔径处的间隔环厚度时,我们应把间隔环孔径处的间隔环厚度扣掉d1-d2。这里的d1与d2之间的减号是因为两表面的曲率半径不用造成的。如果两边表面的曲率半径符号相同,则d1与d2应该相加。



    总结:

        OpticStudio能精确计算透镜件机械结构的热膨胀,而这需要使用者输入机械材料的热膨胀系数(TCE)。如果系统中机械结构TCE为0,则机械结构厚度不会随温度而改变。如果系统中包含曲面元件,两透镜之间的空气中心厚度仍然会发生改变,因为温度也会影响元件的曲率半径。如果系统中TCE不为0时,计算会变得更加复杂,但是依然与CTVA直接计算相同。

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  • TA的每日心情
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    [LV.7]常住居民III

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    发表于 2017-9-12 09:27 | 显示全部楼层
    zemax可以做动图?
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  • TA的每日心情
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     楼主| 发表于 2017-9-12 18:15 | 显示全部楼层

    这个还不知道,没有用过正版的,文章是ZEMAX公司提供的,看看其他站友知道不?
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    发表于 2017-11-7 09:28 | 显示全部楼层
    2005版zemax中怎么加两个虚拟平面(dummy surface)能不能指导指导,好像找半天没找到
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  • TA的每日心情
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    2018-7-12 14:13
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    发表于 2017-11-11 17:04 | 显示全部楼层
    动图是要下制作动画的动图软件的
    周五了,这周大休吧
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  • TA的每日心情
    难过
    2018-7-12 14:13
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    [LV.4]偶尔看看III

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    小白

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    发表于 2017-11-11 17:05 | 显示全部楼层
    翻译是站长翻译的么,真厉害啊
    发帖求助前要善用【论坛搜索】功能,那里可能会有你要找的答案;
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  • TA的每日心情
    奋斗
    2024-4-24 10:01
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    [LV.Master]伴坛终老

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     楼主| 发表于 2017-11-11 17:07 | 显示全部楼层
    走过才无痕 发表于 2017-11-11 17:05
    翻译是站长翻译的么,真厉害啊

    这个不是的,我是从ZEMAX公司那边转的,觉得这些技术文章不错,所以最近找了论坛的很多小伙伴,一起翻译了20多篇的技术文章,陆陆续续会呈现出来,可以关注下。
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    发表于 2018-3-30 10:35 | 显示全部楼层
    动图需要制作GIF格式的图片,网上有介绍,可以搜下,很简单
    发帖求助前要善用【论坛搜索】功能,那里可能会有你要找的答案;
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