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Ansys Zemax STAR 模块：集成化光学系统模拟整体解决方案

优飞迪科技

1年前浏览3094

STAR 模块简介

STAR 模块介绍

什么是 STAR 模块？STAR 模块全称是：Structural Thermal Analysis &Results

• 多学科种类分析集合

• Structural 结构分析

• Thermal 热形变分析

• Optical 光学分析

• Performance 系统性能分析

应用情景：

• 极端环境应用的系统，如太空飞行器光学系统

• 应用环境变化剧烈的系统，如高能激光应用系统

• …

结合来自不同领域的专业知识，帮助您完成所需的分析

OpticStudioSTAR 模块

• STAR 模块作为 OpticStudio 内全新的功能，可以将结构分析、热分析以及系统性能模拟有效地整合在一起

• 通过在 OpticStudio 中载入、可视化和数据化拟合 FEA 分析得到的数据集，并且分析这些数据对于整体系统性能带来的影响

• 全新 STAR-API 也允许用户进行如同用户界面完全一致的操作，帮助用户自动化和自定义化地安排其工作流程：与此同时，STAR-API 也可以便捷地与 ZOS-API 直接进行数据交换，确保所有自动化分析流程均在同一环境下完成

如何使用 STAR 模块

OpticStudioSTAR 模块用户界面

• OpticStudio 中将引入全新的选项卡用于调用 STAR 模块：

STAR 模块中的 FEA 数据结构

• 可将任意 FEA 分析软件得到的结构形变和热型变数据导入至 STAR 模块当中：

‐ 结构形变数据中将包含 6 类参数（制表符分隔），作用于单个表面：[X position Y position Z position dX dY dZ]

‐ 热形变数据中将包含 4 类参数（制表符分隔），作用于整个物体：[X position Y position Z position T]

• 当 FEA 数据集被加载并分配到一个光学表面时，STAR 模块将执行数据的数值匹配。所使用的拟合数据和设置将被保存在 .zst 文件中，用于分析系统光学性能结果。

• 所有用 STAR 模块加载进入 OpticStudio 的文件将自动复制到Zemax > Objects> STOP Files目录。

STAR 功能：载入 FEA 数据

• 应用至表面的 FEA 数据集将根据 FEA 数据格式类型进行自动分类，列表式呈现

• 图像显示区：实时显示应用 FEA数据后光学表面对应情况

• 仅需一键点击，即可载入、转换和拟合 FEA 数据。也可随时更改 FEA 文件，以查看不同的时间或场景下分析结果

• 数据载入过程：

1. 载入 FEA 数据集

2. 刚体运动计算 (Rigid Body Motion)

3. 获取刚体运动计算结果

4. 执行数值拟合

5. 将数值数据应用至表面

STAR 功能：拟合评估

• 不同于使用 Zernike 多项式往往需要使用高阶项系数进行形变拟合，全新的 STAR 模块将使用以下数据拟合算法完成对表面的拟合：

‐ 将 2D 表面形变转换为非均匀网格矢高数据

‐ 将 3D 温度分布情况转换为非均匀折射率分布数据

‐ 可以避免 Zernike 拟合精度不足导致的残余误差

• 控制每个 FEA 数据集与其关联的表面的数值拟合设置，可视化 FEA 数据集与其数值拟合之间的差异

FEA 数据对系统性能产生的影响

• STAR 模块可以使用所有的 OpticStudio 分析功能进行系统性能分析

• 简单载入 FEA 数据后，即可使用 OpticStudio 中的工具观察和分析这部分性能影响

• 系统及成像性能分析：表面矢高、点列图、波前差、图像模拟分析等

Zemax 集成化光学系统设计：高能激光系统示例

高能激光系统

• 在 OpticStudio 序列模式中设计和优化高能激光系统的光学部分

• 通过 OpticsBuilder将光学设计便捷地导入至 CAD 平台中并进行光机械封装和分析

• 结合 FEA 分析工具得到的具体热形变和结构分析数据，通过 STAR 模块展现系统的整体性能情况

• Zemax 软件集合可以帮助您：

- 多种实用功能帮助您完成高斯光束传播模拟

- 分析由于光学以及机械元件导致的能量吸收损耗

- 在设计和优化阶段中，结合杂散光模拟和鬼像分析的唯一解决方案

- 可视化热形变和结构分析性能影响

- 使用 ZOS-API 自动可视化系统性能瞬态效果

Zemax 集成化光学设计流程

高能激光系统 – 系统设计规格

• 该系统的设计规格要求如下：

‐ 光束直径：18 mm

‐ 系统波长：1064 nm(YAG 激光)

‐ 设计目标：将系统光斑控制在艾里斑尺寸范围内

‐ 使用反射镜偏转过后光路中的透镜进行聚光

OpticStudio– 序列模式光学系统设计

• 通过定义最具挑战性的光学系统性能指标，设计得到高性能光学系统

• 全面的激光光束建模以及模拟方案

• 提升光学设计可制造性

• 在设计过程中考虑加工和装配中存在的误差情况，确保设计的鲁棒性

• 极大程度提升系统良率

• 在 OpticStudio 完成系统设计和性能确认之后，将整体系统作为 ZBD 文件进行打包，导入 OpticsBuilder 中

OpticStudio序列模式光学系统设计流程

OpticsBuilder– CAD 平台光机械整体分析

• 光学设计与光机械封装的快速交互

‐ 将所有光学信息无缝链接至 CAD平台中进行机械封装设计和整体分析

‐ 缩短产品上市的时间

• 实时动态可视化光机械设计将对光学系统性能造成的影响

‐ 对产品设计进行智能迭代，避免未来实际封装中可能遇到的问题

• 将完成后的光机械设计整体传递至FEA 工具中进行全面有限元分析

• 或者将系统导出至OpticStudio 中执行后续高阶分析

OpticsBuilder设计流程

OpticsBuilder文件转换

OpticsBuilder光机械系统设计

OpticStudio– 非序列模式高阶分析

• 将整体光机械系统从OpticsBuilder 中无缝导入至 OpticStudio 非序列模式

• 使用真实系统属性，计算激光光束通过系统之后的能量吸收损耗情况

• ZOS-API 可以帮助您自动将这些数据捕捉并导出为 FEA 工具可识别的格式

‐ 无需手动操作文件

‐ 节省时间并减少错误

‐ 缩短产品上市的时间

• 创建 Python 样本代码

‐ 通过 ZOS-API 编程，将这部分能量吸收的数据以 FEA 分析软件可识别的形式导出

FEA 数据分析

• 使用 OpticStudio 的非序列模式得到的数据，用 FEA 软件分析得到热形变和结构变形情况

• 将这部分数据作为表示热形变和结构变形的文本数据文件输出，可以在 OpticStudio STAR 模块中进行读取和拟合

STAR 模块的数据导入

• 直接精确地将热形变、结构分析和数值模拟的 FEA 结果导入至 OpticStudio 中

• OpticStudio 中的对应工具将直接结合这些数据得出系统性能影响结果

‐ 深度分析结果将带来更佳的设计决策

‐ 在早期设计周期中便可发现潜在错误

• 使用 STAR-API 自动导入数据和进行分析

‐ 加速重复性任务（结合多组 FEA数据集分析）

‐ 减少人为操作引入的误差

OpticStudioSTAR 模块分析结果

表面矢高分析

波前差分析

如何观察 FEA 数据带来的性能影响

• STAR 模块可以使用所有的 OpticStudio 分析功能进行系统性能分析

• 简单载入 FEA 数据后，即可使用 OpticStudio 中的工具观察和分析这部分性能影响

• 成像性能分析：点列图、波前差、图像模拟等

深圳市优飞迪科技有限公司成立于2010年，是一家专注于产品开发平台解决方案与物联网技术开发的国家级高新技术企业。

十多年来，优飞迪科技在数字孪生、工业软件尤其仿真技术、物联网技术开发等领域积累了丰富的经验，并在这些领域拥有数十项独立自主的知识产权。同时，优飞迪科技也与国际和国内的主要头部工业软件厂商建立了战略合作关系，能够为客户提供完整的产品开发平台解决方案。

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来源：IFD优飞迪

Optical 光学数字孪生控制 Zemax

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首次发布时间：2023-09-09