Ansys光机热与Moldflow联合仿真赋能光学工程的实际案例分享

背景：    

现代光学系统正朝着小型化、高性能和大批量生产的方向快速发展，尤其是在智能手机、自动驾驶汽车、增强现实（AR）设备等领域。然而，光学设计工程师们面临着一个根本性挑战：如何在设计阶段就能精准预测和优化产品在真实制造和使用环境下的性能？传统的光学设计方法建立在理想化的假设之上，忽略了制造工艺、机械应力、温度变化等多物理场耦合效应带来的影响，导致"设计完美、生产失真"的产品问题点日益突出。

现Ansys结合Moldflow推出光机热-模流联合仿真（Integrated Opto-Mechanical-Thermal and Moldflow Simulation）正是为了解决这一难题而提出的一种先进的仿真方法。它通过整合多个学科的仿真技术，实现了从制造工艺到使用环境的全链路性能预测，在光学仿真领域增加了新的解决方案。本文将阐述车载镜头的光机热耦合分析、镜片注塑工艺对光学性能的联合仿真方案等, 联合moldflow及zemax STAR模块进行STOP分析，全面分析产品注塑应力、双折射等因素对光学性能影响。

强大STOP分析功能：    

Zemax的STAR模块是Ansys OpticStudio的一个高级附加功能，它专注于进行结构、热、光学性能（STOP）分析。这个模块能帮助你在光学设计中充分考虑机械结构和热效应的影响，从而更准确地预测光学系统在真实环境下的性能，以及可以将ansys mechanical变形后的有限元分析（FEA）数据无缝集成到OpticStudio中，充分分析机械应力和热效应如何影响光学性能。

软件功能模块：

Zemax集成化光学仿真流程：

Zemax star模块可以导入面形变数据、温度体分布数据、折射率体分布数据、应力分布数据以及具备以下功能：

1)FEA数据导入与拟合：STAR模块能够接受来自任何FEA软件（如Ansys Mechanical）的以制表符分隔的数据文件。它采用先进的数字拟合算法，将FEA数据（如表面变形、温度分布）与光学模型中的表面对应起来，拟合精度高，残差误差小。

2)自动化工作流程：模块提供了应用程序编程接口（STAR API），允许用户编写脚本自动化执行数据加载、分配和分析流程。

3)增强的可视化与分析工具：STAR模块内置了FEA数据查看器，允许用户在将数据分配到光学表面前进行预览和验证。热分析折射率图工具可以直观显示折射率随温度的变化。性能分析功能允许用户逐个表面地观察温度变化和变形对光学系统性能指标（如RMS波前差、MTF）的影响，帮助识别关键敏感表面。

4)与OpticStudio原生集成：所有分析都在OpticStudio环境内进行，允许用户直接利用OpticStudio强大的序列光学分析工具（如波前图、点列图、MTF曲线等）来评估STOP效应后的系统性能。

一个镜头光学元件的最终光学性能，早在它从模具中脱模的那一刻就已经被“注定”了。 注塑成型不是一个简单的复制过程，它会引入一系列不可避免的、微小的缺陷，而这些微小缺陷对于高精度光学系统来说往往是“致命”的，例如应力双折射的光弹性效应而作用在透射光学材料上的应力的结果，会导致光学系统中的波前误差和偏振变化，因此镜头Ansys光学仿真需充分结合moldflow进行全方面的光学性能分析。

Ansys zemax联合moldflow应力双折射仿真：      

应力双折射是指透明光学材料在机械应力（包括残余应力、外部载荷应力）作用下，原本各向同性的折射率分布被破坏，产生类似晶体的双折射特性的现象。它是一种现象，当材料受到各种来源的应力（包括机械载荷、热诱导梯度或制造工艺）时，材料会变得光学各向异性，这会导致系统性能产生变化。包括：

1) 正交偏振分量之间的相位延迟

2) 折射率的局部变化导致波前像差

3) 当受力光学元件改变光的偏振状态时，去偏振会改变光的偏振状态，导致偏振信息丢失、图像质量下降和性能不可预测。

这些效应会产生可观察到的光学缺陷，包括双重成像、对比度降低、色边和导致焦点偏移或像差的扭曲波前。

Moldflow注塑应力分析结果：

接着在Moldflow 中可以导出应力数据，适用于分析结果后续用于光机热耦合仿真或其他二次分析场景。

前往 STAR模块分析系统查看器，用于检查镜头延迟（波前穿过光学元件时的累积延迟）或叠加在光线足迹区域内镜头上的索引变化数据。

应用数据后，在 OpticStudio 中进行综合分析，包括波前图分析、惠更斯 PSF 计算、偏振瞳孔图数据和物理光学传播 （POP） 仿真以验证结果。这些分析可以交叉引用以验证一致性和准确性，并通过测试板后测试结果的详细可视化来展示应力引起的双折射如何影响光学性能。如下为光学分析结果：

总结：    

基于Ansys的光-机-热以及结合Moldflow（模流）联合仿真，已不再是简单的辅助分析工具，而是驱动新一代智能光学产品研发的仿真方案。将高效实现正确设计、加速产品上市周期以及提升制造良率上有着重要的作用。

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