SPEOS在光学零件吸热仿真中应用
1 前言 ar%!h~
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本文主要介绍 Speos 工具在光学零件光热吸收方向仿真方法；提供2个工作流：①反射式光学零件，利用"3D Irradiance探测器"模拟光线在光学零件表面吸收并转化为热能的过程；②透射式光学零件，利用"3D Energy Density 探测器"模拟光线经过光学零件体吸收并转化为热能的过程。 n a3st*3V_
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在之前发布的技术案例上，呈现相对比较完整光机热联合仿真工作流：使用Zemax设计优化得到初始Lens组件，利用Mechanical进行结构&热变形分析、温度体分布分析（此处考虑使用环境温度、装配变形等工况）并利用集成在Mechanical界面下的Export to star插件导出"XYZdxdydz"、"XYZT"txt文本数据，利用Zemax Star读入数据并利用Zemax分析对比光机热耦合后成像质量，详细流程如下图。 )Bb:?!EuEH
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但在某些光机系统中（例如：应用于激光切割、焊接、钻孔等大功率激光器），除了考虑环境温度变化、电子元器件发热等热源外，还必须考虑光机系统光学零件对光线热吸收影响。因为光学零件材料（如透镜、反光杯等）体吸收或涂层的表面吸收热量导致的热变形或折射率分布变化同样会降低光学系统性能，考虑光学零件吸收环境光、人造光源或场景光转热效应的建模对于确保焦距稳定性和激光束尺寸和质量是必要的。 ~snYf7
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[b ]2数据处理 a^>e| Eq|
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①反射式光学零件，利用3D Irradiance探测器可以仿真导出"X、Y、Z、Irradiance Absorption（单位W/m2）" txt文档；②透射式光学零件，利用3D Energy Density探测器可以仿真导出"X、Y、Z、Volume Absorption（单位W/m3）" txt文档，详细说明见第3部分。利用Workbench可在Mechanical中完成光学零件稳态热、热变形等仿真分析，示例流程如下： AnD#k ]
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3 光学零件吸热仿真方法 <AN=@`+
3.1 反射式光学零件 4*Y`Pn@
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以反射式车灯光学零件为例： J^xIfV~ zt
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模型导入 Speos 软件，在软件中完成光源、光学材料、探测器的定义。本例光源为180°朗伯体分布1300 lm大功率白光 LED 光源；光学材料定义使用反应材料真实折射率、吸收率、透过率、反射率的文件；选用3D Irradiacne 探测器，在关注光热吸收的表面创建一个3D Irradiacne 探测器来测量光的吸收量，在"definition"界面栏下General选择Radiometric，Additional measure下"absorption"选择Ture，"reflection"、"transmission"选择Flase。 j}F ;Bfq!
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运行模拟，辐照度图以3D形式出现，可以在详细分析Virtual 3D Photometric Lab，然后点击"export"命令以及以txt格式进行保存数据。 a*3h|b<
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3.2 透射式光学零件 y=k!>Y|E
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模型仅示例作用，无实际参考。 4Mr)~f rc
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模型导入 Speos 软件，在软件中完成光源、光学材料、探测器的定义。本例光源为45°朗伯体分布10W辐射通量1064nm波长光源；光学材料定义使用反应材料真实折射率、吸收率、透过率、反射率的文件；选用3D Energy Density 探测器，在关注光热吸收光学零件体创建一个3D Energy Density 探测器来测量光的吸收量，在"definition"界面栏下General选择Radiometric，Dimensions确认包裹所有关注吸热的光学零件。 zYZ^/7)
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运行模拟，辐照度图以3D 形式出现，可以在详细分析 3D Energy Density Lab，然后点击"export"命令以及以txt格式进行保存数据。 )ipTm{
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准确的光热仿真结果，依赖材料真实的VOP、SOP光学属性，如无对应材料光学材质文件，推荐使用测量设备测试。OMS4(Ansys的LMD)是一套实验室级、高动态范围、高角度分辨率材料特测量设备，其测量结果可以和 Speos 软件进行无缝对接，可较完美反映实际场景光学效应。 0J5IO|1 M
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4 结论 `ZELw=kLL
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本文主要介绍 Speos 在光学零件吸热仿真中应用，以反射式光学零件、透射式光学零件吸光生热的光热仿真工作流，该方案可应用于大功率激光器LENS吸光热对光斑尺寸、成像质量影响，可应用于精密成像、光学敏感材料等光学系统分析的各个相似领域。
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