概述

【資料圖】

基于Ansys Speos軟件，可以準確建立光學系統模型并進行成像效果仿真。在使用Speos進行光學系統設計過程中，當完成初始光學系統建模后，還需要進一步結合仿真結果，調整出滿足設計要求的系統參數，如果采用手動調整參數并執行多次仿真的方式，會大大影響設計效率。借助Ansys Workbench的優化功能，通過設置設計目標和約束條件，可以驅動Speos仿真流，自動修改設計參數并執行仿真計算和優化設計，從而準確高效地獲得符合設計要求的設計參數。本文以全反射透鏡Total Internal Reflection (TIR Lens)為例，介紹利用Workbench直接優化工具驅動Speos自動化仿真從而實現準直全反射透鏡優化設計的方法。

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

圖1. TIR Lens 設計參數

圖2. 初始輸入參數、模型和仿真結果

圖3. 初始平均照度、照度和RMS值仿真結果

Workbench優化流程構建Workbench基于相關性分析或實驗設計 (DOE) 算法（比如拉丁超立方體抽樣、中心復合設計或稀疏網格法）創建設計點列表，DesignXplorer 可驅動 Workbench 調整參數變化，然后存儲并分析結果。在優化開始之前，首先需要在Workbench中構建Speos和DesignXplorer兩個程序的連接：1、打開Workbench，新建一個項目，將Speos分析系統拖入項目原理圖中，右鍵Geometry，導入幾何結構，雙擊或右鍵仿真任務選擇生成參數，Speos自動啟動。2、在Speos中定義要導入Workbench的輸入參數：選擇TIR Lens 設計中的參數。在DesignXplorer中拖入直接優化，右鍵優化對目標和約束進行設置，包括運行時間、容差設置、候選數量。

圖4. Workbench構建工作流程

Workbench優化目標與約束設置在目標定義過程中，如果僅設置RMS值為優化目標，可能會導致光過度擴散，因此可以同時設置平均照度和光通量大于一定的值。設置優化目標：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置值過低或過高，會導致計算結果不收斂而無法求得滿足要求的設計結果。設置參數約束：影響優化目標的光學參數受到結構尺寸的影響需要約束設計區間。根據設置的運行時間，程序會自動計算步長。運行直接優化，右鍵單擊優化、更新即可啟動優化程序。在計算結束時，軟件會保留達到預期結果的候選值。優化時可以從Table視圖查看Direct optimization任務的優化進度。

圖5. 優化界面

圖6. 參數定義

優化結果分析當優化圖標從閃電變為√時，表示優化完成。雙擊打開優化任務，可以在輪廓原理圖中打開監控來查看目標的計算過程。從結果中查看優化約束、優化方法和候選點。點擊候選點可以查看具體約束數值和目標數值。從圖8 優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化結果，可以把候選點依次帶回Speos進行仿真驗證。

圖7.優化結果

圖8. 優化候選點

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

圖9. Speos仿真優化結果

總結本案例介紹了一種全反射透鏡的自動優化設計方法：通過Workbench創建整個優化工作流，驅動Speos自動計算多個設計點得出符合優化目標的解。本文所采用的透鏡模型是Speos OPD模塊中的全反射透鏡模型，相關方法同樣適用于光導管、全反射面和菲尼爾透鏡等Speos中的其他模型。結合Workbench構建工作流提供的優化環境和Speos基于物理的仿真，可以進一步提升設計能力和工作效率。