zemax 热分析(2)

2018-12-08 21:02

个参数被认为有一个长度单位,则将使用一个恰当的缩放比例,就跟前面介绍的曲率半径一样。如果单位是长度的幂数,如长度的平方或者长度的倒数,则也将使用恰当的缩放比例。否则,热拾取将忽略热效应,简单地从正常结构中拾取对应的数值。

特殊的表面类型,如多项式非球面,二元光学,全息,和其它一些使用参数或者特殊数据的表面,必须人为地在多重结构编辑界面中增加一些操作数和热拾取求解;自动的热设臵工具将不能自动地增加这些操作数。 特殊数据值

特殊数据值的热拾取求解的性质依赖于表面类型。通常,仅仅“标准化半径”需要被按比例缩放。它的便利之处是由于热膨胀只是简单地考虑长度的缩放比例这个事实。因为大多数特殊数据表面使用的是无单位量的系数,所以只有标准化半径需要被缩放。这将同样很好地有效作用于二元光学表面和多项式非球面表面。对于那些不使用标准化半径的特殊数据表面,热拾取求解将忽略热效应,只是简单地从正常结构中拾取相应的数据值。

特殊表面类型,如多项式非球面,二元光学,全息,和其它一些使用参数或者特殊数据的表面,必须人为地在多重结构编辑界面中增加一些操作数和热拾取求解;自动的热设臵工具将不能自动地增加这些操作数。 其它的所有数据值

其它的所有数据值是一些直接的拾取,这些值将与在正常结构中的相应数据值一样。热效应将被忽略。 在单个结构中多个环境的定义

有时需要将光学系统的不同部分放在不同的温度和压力条件下。注意,这不同于那些通过多重结构将整个系统放在不同的环境中。 通过使用多重结构操作数TEMP和PRES可以将表面组各自的温度和压力分配给它们自己,即使只定义了1个结构。其关键是每个TEMP和PRES操作数说明了在多重结构编辑界面中跟在它们后面的所有操作数的环境。在编辑界面中列出的最后一个TEMP和PRES操作数定义了“全局”环境,这将应用于所有没在多重结构编辑界面

中列出的数据。

例如,假设一个光学系统模型要求表面1~5在20摄氏度的温度下,而表面6~10在50摄氏度的温度下。第一个列出的操作数应该是TEMP(同样的说明也应用于PRES),定义了50摄氏度的初始环境。所有的对应于表面6~10的曲率,厚度,半口径,玻璃,和其它数值将被列在操作数TEMP后面。然后这个列表应该以另一个TEMP操作数结束,这一个定义了20摄氏度的“全局”温度。最后系统将在各自的温度(和/或压力)下估算各个表面。

理解两个基本规则是非常重要的:

所有跟在TEMP和PRES操作数后面的多重结构编辑界面操

作数将在那个温度和压力下被求值 在多重结构编辑界面中列出的最后一个TEMP和PRES定义

了所有其它在或者不在多重结构编辑界面上的数据的温度和压力 迄今为止,在建立一个复杂的多个环境的镜头过程中最重要的一个步骤是仔细检查它的设臵。做这项工作的两个很好的工具是在指示报告中的折射率数据和多重结构数据表格。这个表格列出了每个玻璃类型的温度和压力,以及相应的热拾取。

检查在每个参数上的热拾取求解也是一个好主意;这些数据至少应该部分被检查来检验正确的温度范围和被使用的膨胀。 自动的热设臵

自动建立用来热分析的镜头的便利方法是在“编辑菜单”一章中的“多重结构”下的“工具”部分。 TCE数据的添加

这里有两类TCE数据。对于那些使用目录中的一个名称命名的玻璃类型(如Schoot目录中的BK7)的表面,ZEMAX使用在这个目录中指定的TCE数据。关于热膨胀系数值α的描述可参见“玻璃目录的使用”一章。

如果表面不使用目录玻璃,则TCE的值是从镜头数据编辑界面中的TCE栏中直接摘录下来。TCE栏是电子表格的最后一行,在“参

数”栏的右边。

注意TCE是一个无单位量的参数,总是等于输入的系数乘以1E-6。因此,一个值为23.50E-6的TCE只要简单地输入23.5。在计算热效应时,ZEMAX将自动将1E-6考虑进去。 气体和液体的模拟

关于非固体材料的热效应模拟的重要信息可参见“玻璃目录的使用”一章中的“气体和液体的模拟”部分。 折射率的热效应变化量数据的添加

与温度,周围大气压力,和波长相关的折射率的变化量将通过使用前面给出的多项式表达式来模拟任意一种玻璃。这个表达式需要六个系数来定义与绝对折射率的变化有关的温度和波长。通常,对于那些由用户自己添加的材料,这六个描述变化量的系数都是不可变的。然而,大多数玻璃目录至少包含了一个折射率随着温度的变化而变化的比率的单一的线性近似值。这个数值被称为dn/dt。如果这个唯一可用的数据是一个单一的dn/dt,则这个一般表达式的近似值可以被假设为,除D0之外的所有系数都为零:

?nabsn2?1?D0?T?, ?2n2ndn。

n2?1dt这里意味着给出了D0的一个合理的近似值:

D0? D0需要被计算,然后输入到玻璃目录中。在标准温度和压力条件下测量的在中心波长处的相对折射率是表示折射率n的一个适当值。随后要极度小心地检查在不同波长和温度下计算的折射率数据,以确保这是一个适当的近似值。注意,dn/dt应该是一个绝对值,而不是一个相对值。

在使用唯一的单一dn/dt数值时,要保持极度的小心和怀疑。 使用单一的dn/dt数值来估算术语D0的值仅仅是一个粗略的近似方法。与温度相关的折射率的实际变化量在任意一个宽的波长或温度范围内都不可能是线性的。因此,在使用唯一的单一dn/dt数值时,要保持极度的小心和怀疑。 无热效应镜头的优化

为了优化一个无热效应的镜头,首先要使用前面节中介绍的方法来定义多个结构,这些结构被要求来模拟在每个温度下的镜头。然后,仅在正常结构中定义用来优化的变量。例如,假设正常结构为编号1的结构,结构2,3,和4是对每个曲率和厚度使用热拾取求解定义的。仅将正常结构中的曲率和厚度设为变量。

优化镜片组之间的空间材料的TCE也是有可能的。为了达到这个目的,可以在镜头数据编辑界面中的TCE栏中的数值上设臵变量。 热分析的限制

有关ZEMAX的热分析性能的正确度有几个限制。首先,在整个使用的温度范围内应该始终检查TCE数据的正确度。也应该和使用的玻璃的厂商一起检查折射率数据系数。

热分析对于那些倾斜,偏移,或者其它非传统的光学系统不必正确地工作。在计算那些不对称的元件的边缘厚度的位移是会有些困难;例如彼此间相互倾斜的两个镜头之间的边缘厚度。

为Schott玻璃而提供的热折射率和TCE数据是从Schott得到的,他们表明在从-40到+80摄氏度的温度范围,和在从0.435到0.644微米的波长范围内,这些数据是正确的。在1.06微米外的数据可能以较低的精度被推出。而对于其它玻璃提供的数据和这个范围精度是未知的。

因为热效应模拟的复杂性,所以在关键应用和所有的计算中没有一个数据是可以信任的,ZEMAX中的折射率数值和TCE数值应该被独立地检验。即使在上述指定的范围内工作于Schott玻璃时,这也是正确的。


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