ZEMAX模拟热效应实例
发布时间:2024-08-02 15:21:50 阅读次数:305

 

ZEMAX的温度建模能力体现在 可以模拟出因温度变化而引起的折射率变化,以及元件的热膨胀(或收缩)。 通过模拟热效应,可以分析温度变化对光学元件表面厚度、焦距等参数的影响,接下来为大家展示两个实例:
01 模拟一个简单的平板光学窗口,平板不影响成像质量。 假设温度从-50℃升到500℃,观察窗口大小的变化。
02 模拟LBTEK精密抛光非球面透镜AC1610-A的热效应,观察环境温度对其产生的影响。

 

 

01

模拟光学平板的热效应

首先输入系统特性参数,参数设置如下图所示。 在系统通用对话框中设置孔径。 孔径类型选择“入瞳孔径”,切趾类型选择“均匀”,孔径值输入“10”,即为入射光斑大小10mm; 在波长设定对话框中,波长设置为532nm,即0.532μm。

设定的初始结构中包含两块窗口片,材料选择H-K9L,厚度均为20mm,通光孔径大小是25mm,窗口片之间的间隔是100mm,相关参数设置如下图所示。

还需要在两块玻璃窗口片间隔中设定空气的热膨胀系数TCE: 23ppm,玻璃材料的热膨胀系数在玻璃库中是默认的。

当玻璃元件改变温度后,由表达式 L' = L(1 + αΔT) 给出的尺寸也会发生线性变化,其中L为线性尺寸,α 为 TCE,∆T为温度的变化。 当材料膨胀时,曲率半径也会变大。 因此,玻璃表面的厚度和半径也会随温度呈线性变化。 线性的假设仅仅是一个近似,但非常适合用于估算大多数材料和温度的范围。

参数设置完成后,查看其2D视图,如下:

接下来进行多重结构的设置,多重结构里设定所有受温度影响的参数。 从上至下,第1行代表不同结构设定的温度; 第2行代表第一片窗口片的厚度,即面2的厚度; 第3行表示第2个面的半径大小; 第4行代表两个窗口片之间的空气厚度,即两个窗口片之间的距离; 第5行是第二片窗口片的厚度,即面4的厚度; 第六行是第4个面的半径大小。

TEMP: 设置的温度

THIC: 指定面厚度

SDIA: 指定面的半直径

在右侧系统选项中,环境选项中勾选“折射率数据与环境匹配”,默认是20℃。

对结构2、3、4中所有参数选择热拾取,跟随结构1。

设置完毕后,发现多重结构中表面厚度与半径发生明显变化,即得到温度变化对表面厚度和半径的影响。

 

02

模拟精密抛光非球面透镜 AC1610-A的热效应

登录LBTEK官网,搜索AC1610-A,点击下载ZEMAX文件,打开ZEMAX。

按下图所示在评价函数编辑器中输入EFFL、DENC和TTHI评价函数,便于看焦距、聚焦光斑尺寸和工作距离,目前20℃下焦距是50.002mm,聚焦光斑半径是2.433μm,工作距离是46.031mm。

在右侧系统选项中,在环境选项中勾选“折射率数据与环境匹配”。

在上面工具栏中的设置里找到热分析。

点击进去后,最低温度选择20℃,最高温度选择50℃,多重结构设置3,点击确定。

界面弹出的多重结构编辑器中出现了4个多重结构,第一个是默认的20℃,即初始结构,结构二是设置的最低温度20℃,结构三是一个相对中间的温度35℃,如果想要数据更多,可以在上一步中将多重结构的数量填多一些,最后一个是最高温度50℃。

在评价函数编辑器中将其他多重结构按照下图所示参数设置,设置完毕后,发现多重结构中焦距以及工作距离发生变化,即得到温度变化对焦距和工作距离的影响。

ZEMAX模拟光学平板的热效应,可以得到不同温度下的玻璃热胀冷缩的具体数值; 模拟精密抛光非球面透镜AC1610-A的热效应,可以得到不同温度环境下产品性能参数的变化。

 
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