如何利用Zemax OpticStudio模拟热效应
如何利用Zemax OpticStudio模拟热效应
本文旨在说明如何利用Zemax OpticStudio模拟热效应。Zemax OpticStudio热效应模拟功能能够模拟折射率遇热改变以及光学材料和机械结构的热胀冷缩。本文我们将模拟以下三种系统的热效应：
（1）平板玻璃
（2）库克三片式镜头
（3）双胶合透镜
平板玻璃
首先在LDE中输入我们系统初始结构：
常温下，平板玻璃的厚度和半直径（Semi-Diameter）均为100，两平板玻璃之间的距离为200。两平板玻璃之间空气的热膨胀系数(Thermal Coefficients of Expansion，TCE)设定为23，单位为parts per million,简称ppm。玻璃的热膨胀系数（TCE）可以在Material Catalog中查询。
其次，热模拟之前我们还需要确保在System Explorer > Environment中，“Adjust Index Data To Environment”选项已经勾选
本文案例
我们尝试将温度升高到500℃，查看平板玻璃的厚度如何变化。
1、打开多重组态编辑器并列出所有会受到温度影响的参数
在本例MCE中，我们设定的第一个组态为20℃。第二个组态为500℃。同时列出所有会受到温度影响的参数：第1、4面的厚度和半直径以及第2、3面的厚度。
2、对第二个组态中的所有参数设定热拾取求解
对第二个组态中的所有参数设定热拾取求解，这个求解功能是让Zemax OpticStudio利用内建的热缩放工具来计算热系数，我们可以看到在MCE中看到各个影响参数的热膨胀变化。也可以再次打开3D Layout并设定同时观察两个组态。如下图，上面的是高温度组态（500℃）计算出的结果，下面为常温（20℃）组态下的计算结果。
3、假设第二个组态中第3、4个面处于1000℃的高温，其他元件仍然在500℃的温度
我们需要再插入一个TEMP操作数。在第二个TEMP之后的面的温度将会与第一个TEMP到第二个TEMP之间的面的温度不同。如下图，在面1和面2操作数之后插入TEMP，设定第一个组态温度仍然为20℃，第二个组态为1000℃。结果如下图所示：在第二个组态中，现在面3的厚度大于面2的厚度。
如上，在LDE中输入系统初始结构。勾选“Adjust Index Data To Environment”选项。
除了以上方法，我们还可以我们还可以利用Zemax OpticStudio内建的工具自动插入所有所需参数操作数。打开MCE，点击菜单栏上的Make Thermal工具即可。
除了标准温度（组态1），我们还需要再插入两个组态，分别为-20℃和40℃。因此在模拟过程中一共有三个组态。具体设定如下图。
同时按下(Ctrl+A)可以切换组态，观察系统热效应。
双胶合透镜-
去除系统对热的敏感性
Zemax OpticStudio除了可以模拟热效应，也支持使用者优化以去除系统的热敏感性。接下来我们将示范如何让一个双胶合透镜在20℃和100℃之间的RMS波前差最小化。
1、观察两组态之间OPD图的差异
此系统中第一个组态参考温度为20℃，第二个组态为100℃。按照上面的热模拟步骤，我们已经利用Make Thermal工具插入了所有因素的操作数并在MCE中热拾取求解。观察两个组态的OPD图，可以看出两组态之间的差异比较明显。
2、利用Hammer优化替换玻璃材料以除去此系统的热效应
为了避免由于两个玻璃材料的热膨胀率差异太大引起两玻璃接合处压力过大从而使透镜破裂，在替换玻璃的过程中，我们希望两个玻璃之间的TCE差异小于1ppm。同时，为了使透镜系统维持不变，我们仍需再加上一个有效焦距的设置（100mm）。
下图为评价函数编辑器中的各项设定：
第二行EFFL操作数可以确保此双胶合透镜的有效焦距为100mm。
第三行至第七行为限制两玻璃之间膨胀系数差小于1ppm的操作数。注意我们并没有直接限制膨胀系数，而是限制两玻璃之间差值小于1ppm。
在MCE中，也可以看到两个玻璃都有一个S符号，这代表两玻璃材料被设定为可替代“Substitution”，即在Hammer优化过程中，可以替换两片玻璃材料以获得最佳解。
3、点击Optimize > Hammer优化工具，开始优化直至优化结束
点击Optimize > Hammer优化工具，开始优化直至优化结束。优化结束后，再次打开两组态下的OPD图，可以看出优化后两组态之间的差异很小，几乎可以看作是一样的。同时也可以查看评价函数中两玻璃材料的TCE值确实小于1ppm。
总结
此文章示范了如何使用Zemax OpticStudio进行热模拟。总统来说需要注意一下几点：
（1） 所有会受到温度影响的参数都必须列在MCE中；
（2） 在MCE中使用温度拾取求解，OpticStudio会自动计算温度对参数的影响；
（3） Make Thermal工具提供了更加方便的途径可一次性插入所有参数以及温度拾取求解到MCE中。
