基于Ansys Workbench和Speos的準直全反射透鏡優(yōu)化設(shè)計案例

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(shè)計過程中，當完成初始光學系統(tǒng)建模后，還需要進一步結(jié)合仿真結(jié)果，調(diào)整出滿足設(shè)計要求的系統(tǒng)參數(shù)，如果采用手動調(diào)整參數(shù)并執(zhí)行多次仿真的方式，會大大影響設(shè)計效率。借助Ansys Workbench的優(yōu)化功能，通過設(shè)置設(shè)計目標和約束條件，可以驅(qū)動Speos仿真流，自動修改設(shè)計參數(shù)并執(zhí)行仿真計算和優(yōu)化設(shè)計，從而準確高效地獲得符合設(shè)計要求的設(shè)計參數(shù)。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(qū)動Speos自動化仿真從而實現(xiàn)準直全反射透鏡優(yōu)化設(shè)計的方法。

1Speos透鏡設(shè)計及仿真

Speos的光學元件設(shè)計模塊(Optical Part Design，OPD)可以用于設(shè)計全反射透鏡、菲尼爾透鏡和光導(dǎo)管等等，本文案例利用OPD模塊實現(xiàn)對TIR Lens的建模。本次透鏡設(shè)計的主要目標是在照度探測器上的測試區(qū)域內(nèi)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(shù)和光路邏輯如圖1中所示，包括內(nèi)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(shù)，可以先使用Speos軟件默認的參數(shù)進行建模仿真，仿真要注意設(shè)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。基于軟件默認的設(shè)計參數(shù)，TIR Lens照度仿真結(jié)果中的目標區(qū)域RMS值為0.74，體現(xiàn)出的照度均勻度較差，需要采用Workbench的直接優(yōu)化功能對設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化，以獲得均勻度更好、滿足RMS值要求的設(shè)計結(jié)果。

圖1. TIR Lens 設(shè)計參數(shù)

圖2. 初始輸入?yún)?shù)、模型和仿真結(jié)果

圖3. 初始平均照度、照度和RMS值仿真結(jié)果

2Workbench優(yōu)化流程構(gòu)建

Workbench基于相關(guān)性分析或?qū)嶒炘O(shè)計 (DOE) 算法（比如拉丁超立方體抽樣、中心復(fù)合設(shè)計或稀疏網(wǎng)格法）創(chuàng)建設(shè)計點列表，DesignXplorer 可驅(qū)動 Workbench 調(diào)整參數(shù)變化，然后存儲并分析結(jié)果。在優(yōu)化開始之前，首先需要在Workbench中構(gòu)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(dǎo)入幾何結(jié)構(gòu)，雙擊或右鍵仿真任務(wù)選擇生成參數(shù)，Speos自動啟動。2、在Speos中定義要導(dǎo)入Workbench的輸入?yún)?shù)：選擇TIR Lens 設(shè)計中的參數(shù)。在DesignXplorer中拖入直接優(yōu)化，右鍵優(yōu)化對目標和約束進行設(shè)置，包括運行時間、容差設(shè)置、候選數(shù)量。

圖4. Workbench構(gòu)建工作流程

3Workbench優(yōu)化目標與約束設(shè)置

在目標定義過程中，如果僅設(shè)置RMS值為優(yōu)化目標，可能會導(dǎo)致光過度擴散，因此可以同時設(shè)置平均照度和光通量大于一定的值。設(shè)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(shè)置值過低或過高，會導(dǎo)致計算結(jié)果不收斂而無法求得滿足要求的設(shè)計結(jié)果。設(shè)置參數(shù)約束：影響優(yōu)化目標的光學參數(shù)受到結(jié)構(gòu)尺寸的影響需要約束設(shè)計區(qū)間。根據(jù)設(shè)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(jié)束時，軟件會保留達到預(yù)期結(jié)果的候選值。優(yōu)化時可以從Table視圖查看Direct optimization任務(wù)的優(yōu)化進度。

圖5. 優(yōu)化界面

圖6. 參數(shù)定義

4優(yōu)化結(jié)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(wù)，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(jié)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(shù)值和目標數(shù)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(jié)果，可以把候選點依次帶回Speos進行仿真驗證。

圖7.優(yōu)化結(jié)果

圖8. 優(yōu)化候選點

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

圖9. Speos仿真優(yōu)化結(jié)果

5總結(jié)

本案例介紹了一種全反射透鏡的自動優(yōu)化設(shè)計方法：通過Workbench創(chuàng)建整個優(yōu)化工作流，驅(qū)動Speos自動計算多個設(shè)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(guān)方法同樣適用于光導(dǎo)管、全反射面和菲尼爾透鏡等Speos中的其他模型。結(jié)合Workbench構(gòu)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(shè)計能力和工作效率。

審核編輯：湯梓紅