OpticStudio热分析中空气厚度变化分析

 

在使用OpticStudio对镜头进行热分析时,很多人对空气厚度变化还存在一些疑惑,本文针对此情况,做一下简要的分析。

在分析之前,首先要明确OpticStudio中的两个设定:

1)每个表面的机械半口径决定了其边缘厚度。
2)空气中心厚度的热变化,由空气边缘厚度决定。
一、空气边缘厚度
我们用案例thermal -1a.zos来分析空气边缘厚度,结构如下图所示:
通过ETVA或者Prescription Data,能够快速得到表面2的边缘厚度,此边缘厚度也就是两个透镜之间的空气边缘厚度。
这个空气边缘厚度是如何得到的?空气边缘厚度是透镜最大口径(也就是机械半口径)处的水平距离,如下图红圈所示。
通过下图中一组操作数,就可以计算此水平距离=表面3机械半口径处的矢高表面2机械半口径处的矢高+空气中心厚度,最终得到的数值与ETVA得到的相同。操作数比较简单,不做详细解释。
二、空气边缘厚度的热变化
空气厚度的热变化的一般情况,请参考KB中的文章“How does OpticStudio modelthe thermal expansion of optical mounts”,基础计算公式如下:
温度变化DT后,隔圈厚度:
Spacer thickness @ spacer apertures = (Spacer thickness @ 20 degreesC)*(1 + TCE*DT)
温度变化DT后,边缘厚度:
Spacer thickness @ lens apertures = Spacer thickness @ spacer apertures -(D1 – D2)
其中:
D1 = Sag ofsurface 2 @ lens aperture – sag of surface 2 @ spacer aperture
D2 = Sag ofsurface 3 @ lens aperture – sag of surface 3 @ spacer aperture
下面我们只分析镜片带台面的情况,温度变化DT=100度,隔圈为金属铝。
1、凸面+凹台,参考案例“thermal -2a.zos
结构如下图所示:
 
此时,温度变化DT后,边缘厚度计算公式变为:
Spacer thickness @ lens apertures = Spacer thickness @ spacer apertures -D1
温度变化DT后:
隔圈厚度= 5.43016*(1 + 23.6×10-6E×100)= 5.44297mm
边缘厚度=5.44297-[-1.27361-(-1.26202)]=5.45456mm
ETVA算出结果相同。
2、凹台+凸面,参考案例“thermal -2b.zos
结构如下图所示:
此时,温度变化DT后,边缘厚度计算公式变为:
Spacer thickness @ lens apertures = Spacer thickness @ spacer apertures +D2
温度变化DT后:
隔圈厚度= 5.41853*(1 + 23.6×10-6E×100)= 5.43132mm
边缘厚度=5.43132+(1.34886-1.33608)=5.44410mm

ETVA算出结果相同。

3、凹台+凹台,参考案例“thermal -2c.zos
结构如下图所示:
此时,温度变化DT后,边缘厚度计算公式变为:
Spacer thickness @ lens apertures = Spacer thickness @ spacer apertures
温度变化DT后:
边缘厚度=隔圈厚度= 3.24394*(1 + 23.6×10-6E×100)= 3.251595mm

ETVA算出结果相同。

三、空气中心厚度的热变化
1、参考案例“thermal -2a-1.zos
空气中心厚度=边缘厚度透镜口径处两个表面矢高差
Spacer thickness @ lens apertures = Spacer thickness @ spacer apertures -(Sag of surface 3@ lens aperture – Sag of surface 2 @ lens aperture)
计算数据如下,与CTVA结果一致。
2、有台和无台空气中心厚度变化对比
参考案例“thermal -3a.zos”,设置2个组态,有效口径一致,机械口径不同,分别对应有台和无台,结构图如下所示。

分别得到表面2的中心厚度分别为5.00400307mm5.02009144mm
因此,在做热分析之前,需确定好对应的机械半口径,否则影响空气厚度变化,最终会影响热效应分析的结果。

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