【技术文章】Speos 在自由曲面透镜设计以及优化分析应用

Speos在自由曲面透镜设计

以及优化分析应用

1. 背景说明

传统的灯具设计一般在抛物面、椭球面等二次圆锥曲面上进行进行反射加透镜的结构的设计，来达到希望的光强分布。然而，仅使用上述的规则曲面往往不能一下子达到设计目标，一般需要试错法，对初始面形进行多次调整、反复优化，才能达到设计要求。这种设计方法周期长，而且不一定有效。用 matlab 求解数学方程[1],[2]，将数值解再导入到3D 文件中生成新的曲面，这种设计思路优势是能结合初始的结构条件以及最后的光学标准进行整合设计，但是对设计者的光学理论以及 matlab 数值求解的技术要求比较高。另外在求得数值解之后可能还要对生成的结构数据做一定处理才能更好兼容实际产品的生产能力。Ansysy Speos 中，可以利用自带的创建草图的方法，创建样条线，进而做成自由曲面。结合Work bench 中的 Direct optimization 功能，可以对构成自由曲面的透镜的各个参数做定性的自动优化设计，最终实现对光学目标的优化。除此之外， Ansys Speos 是一款集设计、仿真、优化一体的光学软件，可以为自由曲面透镜【3】【4】(自由曲面反射镜也可以利用这一方法)提供自己参数化设计思路。

下面以一个案例来做分析说明，光学目标如下：

1.透镜材质为亚克力

2.LED光束角 120°

3.透镜出射角为60°*60°，且为等光强分布。

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2.1自由曲面透镜初始结构

在此开始点示例中，根据以下过程生成自由形式：

对于外表面和内腔，使用 5 点样条生成一个对称的基，然后进行镜像。点是由它们到原点的距离来定义的。然后在此基础上，我们生成三个引导曲线，由两个额外的点引导。这些点也由它们到原点的距离来定义。

请记住，这个设置是一个例子，该原理可以应用于任何自由形式的结构。

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2.2 光学属性设置

自由曲面透镜一个基本的矩形表源（朗伯分布和黑体光谱）照明。

自由曲面透镜由折射率为 1.5 的光学抛玻璃制成。

目标是利用 LED 中心的圆锥强度传感器测量系统的输出强度

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2.3 仿真模拟结果

要执行设计点验证或优化，我们需要使用当前的起点运行第一个直接模拟。在这个结果中，在中心区域建立测量值，以确保均匀性。

⚫ 强度均方根对比度测量

⚫ 平均强度测量

将测量值保存为强度传感器的模板，以确保在每次模拟运行后进行测量。

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2.4 Work Bench 设置

我们希望将第一个设计连接到工作台上，以进行设计探索。

打开工作台文件后，将Speos 组件从“分析组件”选项卡中拖放到“示意图”视图中。

现在需要通过在几何项目上右键单击 >导入 >浏览导入到创建的单元格。

一旦导入几何图形，我们需要将几何参数导入到工作台。在本例中定义自由曲面透镜的参数。这些参数将是我们的输入参数。为此，您可以再次右键单击几何 >打开。打开SpaceClaim 后，您应该会看到在工作台中设置的参数。

现在需要导入光学参数（即我们之前在这种情况下的结果所做的光学测量）。这些参数将是我们的输出参数。为此，可以右键单击“模拟任务 >生成参数”。在此之后， Speos

单元格和参数集之间有一个闭环：我们已经准备好进行设计探索。

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2.5 设计探索阶段

⚫ 可以通过双击原理图中的单元格来打开所设置的参数。

⚫ 在参数集中，在左边，将看到输入和输出参数，对应于我们的项目中的参数。

⚫ 在右边 DP0 这一行。它包含了我们初始设计的输入参数值。但是，它还不包含输出参数的值：这是因为我们需要第一次从工作台运行模拟，以便它可以从 Speos 读取输出。

⚫ 我们现在可以手动探索设计性能。

可以在参数设置中的任意行添加这些值作为示例：

现在可以点击更新所有的设计点>，它将运行尽可能多的模拟作为设计点，而不是最新的。不要忘记为想要存储 Speos 项目的点保留数据。否则，如果必须打开原始的规范项目，并手动设置相应的输入参数来查看结果。

2.6 最优化

⚫ 对于复杂的用例，手动设计探索可能不适合达到一个或多个目标。在这种情况下希望执行直接优化。

⚫ 为此，请将直接优化组件拖放到参数设置的下面。然后双击它以编辑优化目标和参数边界。

⚫ 然后可以更新项目以启动优化。请注意，它将启动大约 240 个模拟，它可能需要一些时间才能完成。

P6参数变化与迭代次数的关系

P7的参数变化与迭代次数的关系

P8的参数变化与迭代次数的关系

P9的参数变化与迭代次数的关系

P10的参数变化与迭代次数的关系

P11的参数变化与迭代次数的关系

同时可以约束变量P6、P7 、P8 、P9 、P10 、P11 参数之间的几何关系

比如 P6小于 P7

P8小于 P9

P10 小于 P11

进行设计需求的完善化分析

⚫ 优化运行后，可以访问优化单元中的候选点部分（在优化过程中找到的最佳设计点）。如果保留了它们的数据，可以直接访问它们，或者直接返回初始设计并设置相应的输入参数以查看结果。

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3. 小结

sys Speos 除了本身的 Optical Part Design 可以用内置模块的方法创建光学组件之外，还可以通过集成的 Spaceclaim 的草图功能创建三维几何体，因此 Ansys Speos 的 设计功能面向对象更加全。初步的模型创建完成后，可以通过 Direct optimization 模块，可以将参数化的结构进一步按照约束的变量范围内自动调整，结合 Speos 的光学 仿真模板反复迭代运算最终达到优解计。

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[参考文献]

[1] 唐天，李慧娟.张乐，靳鹏，吕国强，冯奇斌.用于大距高比背光模组的透镜设计［Ｊ］.光电子技术，2021.41（01）:39-44.（北大核心收录）

[2] 祝振敏，徐鑫，姚佩琦。基于多次漫反射数学模型的照明光源设计方法。申请时间：2020.1.13，申请号：202010031335.5

[3] 赵欢，李长庚，陈志涛，等．基于双自由曲面的ＬＥＤ均匀照明准直透镜设计［Ｊ］．光学学报，2017，37(4)：0422001．1222003-8

[4] 严强，高椿明.LED照明准直透镜结构优化设计[J].激光与光电子学进展，2013，7(50):1122-1127

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