Układy optyczne podczas pracy mogą ulegać deformacjom pod wpływem czynników środowiskowych lub zmian temperatury związanych z absorpcją padającego na nie promieniowania. Zmiany temperatury elementów układu powodują również lokalne zmiany wartości współczynnika załamania materiałów, z których zostały one wykonane. Zmiany te mają oczywiście wpływ na jakość odwzorowania. Możliwość określenia tego wpływu już na etapie projektowania jest istotna zwłaszcza w przypadku układów narażonych na naprężenia, zmienne warunki środowiskowe oraz takich, które współpracują ze źródłami promieniowania o dużej mocy. Możliwość taką zapewnia moduł STAR, wchodzący w skład programu Ansys Zemax. Umożliwia on wyeksportowanie zaprojektowanego układu do programu, pozwalającego przeprowadzić analizę wytrzymałościowo-termiczną, jak np. Ansys Mechanical, a następnie zaimportowanie uzyskanych wyników  do Ansys Zemax, aby określić, jak powstałe zmiany wpływają na jakość odwzorowania przez układ (rys. 1).

Spis treści

1. Transfer wyników pomiędzy analizą wytrzymałościowo-termiczną i optyczną
2. Analiza wpływu na działanie układu
3. Podsumowanie

Transfer wyników pomiędzy analizą wytrzymałościowo-termiczną i optyczną

W przypadku układu zamodelowanego w trybie niesekwencyjnym możliwe jest uzyskanie informacji o tym, jaka ilość promieniowania jest absorbowana przez każdy element. W tym celu należy traktować je jako detektory i przeprowadzić ray tracing. Otrzymane wyniki można zaimportować do Ansys Mechanical lub innego programu, umożliwiającego przeprowadzenie analizy wytrzymałościowo-termicznej.

Wyniki przeprowadzonej analizy można następnie zaimportować do modułu STAR. Odczytuje on pliki w formacie txt, z informacjami o deformacji poszczególnych powierzchni, oraz wpływie temperatury ośrodka za powierzchnią na jego współczynnik załamania. Pliki te muszą być sformatowane w odpowiedni sposób. W obu przypadkach trzy pierwsze kolumny muszą zawierać kolejno współrzędne x, y i z punktu. W plikach z informacją o deformacji powierzchni trzy kolejne kolumny zawierają przesunięcie punktu w poszczególnych osiach, natomiast w plikach z informacjami o wpływie temperatury następna kolumna zawiera temperaturę albo wartość współczynnika załamania w danym punkcie. W zależności od umieszczonych w nim informacji plik powinien więc zawierać 6 lub 4 kolumny, pozbawione nagłówków.

Przed zaimportowaniem danych do modelu możliwe jest zobaczenie ich wizualizacji za pomocą narzędzia Multiphysics Data Viewer (rys. 2,3), zawartego w module STAR. Po wybraniu pliku program automatycznie rozpoznaje, czy zawiera on informacje o deformacji powierzchni, czy temperaturze ośrodka i wyświetla zawarte w nim dane.

Wyniki analizy wytrzymałościowo-termicznej można zaimportować do modułu STAR za pomocą narzędzia Multiphysics Data Loader (rys. 4). Po wybraniu pliku należy przypisać go do konkretnej powierzchni. W przypadku plików dotyczących wpływu temperatury należy dodatkowo określić, czy zawierają one wartości temperatury, czy zmienione pod jej wpływem wartości współczynnika załamania. Możliwa jest też zmiana układu współrzędnych, jeśli nie zgadza się on z tym zastosowanym w modelu.

W sytuacji, kiedy potrzebne jest zaimportowanie dużej ilości danych, jak np. analiza parametrów układu w czasie, możliwe jest zautomatyzowanie wgrywania poszczególnych plików. Do tego celu można wykorzystać narzędzie User Extensions, znajdujące się w zakładce Programing. Za jego pomocą możliwe jest automatyczne utworzenie wielu zestawów danych, pomiędzy którymi można się następnie przełączać. Pliki przyporządkowywane są automatycznie do poszczególnych powierzchni i zestawów na podstawie ich nazwy i lokalizacji.

Po zaimportowaniu możliwe jest sprawdzenie dopasowania danych do modelu (rys. 5).

Analiza wpływu na działanie układu

Po zaimportowaniu rezultatów analizy wytrzymałościowo-termicznej możliwe jest wykorzystanie wszystkich dostępnych w Ansys Zemax narzędzi do analizy jakości odwzorowania, by uzyskać wyniki dla modelu uwzględniającego deformacje. Moduł STAR daje możliwość wyboru uwzględnianych danych za pomocą narzędzi Surface Deformation Summary i Volumetric Data Summary oraz Surface Deformation Options i Volumetric Data Options. Pozwala to ocenić wpływ zmian związanych z konkretnymi powierzchniami, lub elementami układu na poszczególne parametry, określające jakość odwzorowania.

Uwzględniane wyniki analizy wytrzymałościowo-termicznej można zwizualizować za pomocą narzędzia System Viewer (rys. 6). Pozwala ono wyświetlić informacje o deformacji powierzchni w formie mapy wartości lub wektorów określających przemieszczenie poszczególnych punktów, a także lokalne wartości współczynnika załamania lub ich zmiany, spowodowanej temperaturą.

Moduł STAR umożliwia również uzyskanie dwuwymiarowych wykresu deformacji konkretnej powierzchni (rys. 7) oraz zależności współczynnika załamania zastosowanych materiałów od temperatury, dla zadanej długości fali (rys. 8).  

Bardzo użytecznym narzędziem modułu STAR jest Performence Analysis. Dostarcza ono informacji o wpływie poszczególnych zmian związanych z konkretnymi powierzchniami (rys. 9) lub całym układem (rys. 10) na  rozmiar uzyskiwanej plamki rozmycia bądź aberrację falową.

Podsumowanie

Moduł STAR pozwala połączyć analizę optyczną oraz wytrzymałościowo-termiczną. Zastosowanie go umożliwia odzwierciedlenie pracy układu w rzeczywistych warunkach. Określenie jego zachowania podczas symulacji może pozwolić ograniczyć czas i koszty związane z testowaniem gotowych prototypów. Powinien on okazać się szczególnie przydatny przy projektowaniu układów przeznaczonych do pracy w zmiennych warunkach, narażonych na naprężenia lub współpracujących ze źródłami powodującymi ich znaczne nagrzewanie, jak lasery dużej mocy.

Autor: Karol Pyś, kpys@mesco.com.pl