光機械模型
關注創建者：HPC365云服務 創建時間：2019-04-03
光機械模型的實例教程
而現在科學家們為了解決測量鏡片折射率的問題，開發了一種逆向工程技術，創建一種新的人體老化光學機械模型，用于基本的光學和機械模擬。
專注于老花眼矯正與模擬仿真
在世界衛生組織（WHO）表示“裸老花眼是視力障礙的最常見的原因”。隨著年齡增長，眼球晶狀體逐漸硬化、增厚，而且眼部肌肉的調節能力也隨之減退，導致變焦能力降低。
眼睛的晶狀體能夠通過復雜的生物力學過程改變其形狀，該過程導致遠視覺被動并且近視力活躍。然而，隨著年齡的增長，晶狀體會發生幾何變化。鏡片的生長和鏡片的機械性能變化（鏡片變得更硬）導致睫狀環向前推動。在遠視和近視之間幾乎不存在變形幅度之前，鏡片順應性受到越來越多的影響。鏡片的形狀增加，其等效屈光力和總體直徑減小到這樣的程度，即在老花眼的情況下，最容納的形狀最終是遠視力。
雖然眼鏡是解決與老花眼有關的視力問題的最安全和最可靠的方法，但并非所有人都喜歡戴眼鏡。
有些人通過手術來矯正視力。但是這種手術是有風險的，并很可能帶來其他的并發癥，比如說患者可能會出現視弱、看東西會產生眩光、光暈，或在昏暗的光線下無法看清事物等。此外，許多可用于這些手術的體內成像技術不能精確地解釋視覺調節過程中的每個因素或實際的臨床測量。
為了解決這些問題，研究人員利用仿真軟件的光學評估技術開發了人眼的3D參數化機械模型。通過他們的模型，團隊可以使用逆向工程技術從體內成像中推斷出不可測量部分的屬性。
建模
由于視覺調節過程非常復雜，因此在對眼睛及其組件進行建模時通常會進行簡化。例如許多模型是軸對稱的，并且不考慮眼睛器官的自然變化。模型側重于調節的機械或光學方面，意味著只有少數眼睛組件被建模，材料屬性被近似，而不是考慮實際中的使用。
展開 然后，構建光機械結構以裝配光學元件，并將其與外部框架相匹配。
圖4：為3-U 立方體衛星完成光學機械設計
在光機械設計完成后，可以使用仿真工具，在Creo Parametric中對這些組件對光學性能的影響進行仿真。在最后的仿真中，完整光機械模型被太陽能電池板包裹裝配。
光線追跡仿真驗證了光機械對光學性能沒有重大影響。現在可以將構建的整個系統導出到有限元分析（FEA）軟件，開始STOP分析。
圖 5.最終光學機械設計的光線追跡仿真
借助OpticsBuilder，可以縮小光學工程與機械工程之間的文件形式差異。通過簡化、直觀的工作流程，工程團隊可以更高效地應對光機械設計的挑戰。
展開 圖 3.機械槍管改裝
將其余的機械部件（例如擋板）添加到設計中，并添加合適的顏色以區分最終設計中的組件。
圖 4.修改后的設計
然后將 CAD 模型保存為裝配文件，復雜的鏡頭設計和進一步分析可以在 Speos 中完成。
使用 Speos 進行復雜的鏡片邊緣建模
首先，使用 .ODX 導入工具位于 Speos 界面的 Light Simulation 選項卡中。
圖 5.將修改后的設計導入 Speos
相機鏡頭組件包含多個鏡頭，編號如下。一些鏡頭邊緣需要使用 Speos 重新設計成復雜的形狀。
零件清單：
紅外濾光片 （A）
鏡頭 （B）
鏡頭 （C）
鏡頭 （D）
鏡頭 （E）
鏡頭 （F）
蓋玻片 （G）
圖 6.相機鏡頭組件
加長鏡片邊緣的幾何要求是將鏡片保持在機械擋板環和主鏡筒之間。
免責聲明：出于顯示目的，紅外濾光片 （A） 和蓋玻片 （G） 保留在鏡筒組件內。在實際應用中，這兩個組件很可能與鏡頭不在同一光學機械子組件中。
添加復雜的鏡頭邊緣
通過在父鏡頭上繪制新設計并圍繞鏡頭的光軸旋轉草圖，可以創建復雜的鏡頭邊緣。在 Speos 界面的草圖模式下，'線' 工具可用于創建復雜的設計。在繪制設計草圖時，需要考慮擋板環的空間。
圖 7.繪制復雜的鏡頭邊緣
當所有新透鏡邊緣的草圖完成后，設計將圍繞光軸旋轉以創建新的實體表面。如圖 8 所示，所有透鏡邊緣都形成一個單獨的固體表面。
圖 8.重新設計的鏡頭組件
下一步將父鏡頭邊緣和添加的鏡頭邊緣合并到一個鏡頭單元中。建議執行以下過程：
要更新 .ODX 文件中，您可以使用剪切、復制和粘貼命令將新的實體表面（在圖 9 中突出顯示）移動到組件中。
展開 添加和調整機械部件
由于四個隔圈是現成的組件，因此可以使用 Creo 參數化原生插入工具（Model Tab -> Assemble -> Assemble A）將其直接插入到光機械裝配體中。之后，可以使用 Object Placement 工具將其直接定位。
鏡筒和前擋圈需要稍作修改，以便機械組件可以模擬 OpticStudio 中定義的光學孔徑，并且光束遮擋可以保持在最低限度。在下圖（A部分）中看到紫色的遮擋光束和右側（B部分），由于鏡筒上的機械孔徑直徑略有增加，新模擬的光機械系統沒有任何可見的遮擋光束。
經過初次目視檢查后，可以使用 OpticsBuilder 分析工具深入分析光學性能。
用 OpticsBuilder 進行光學性能分析
為了使用 OpticsBuilder 分析工具驗證光機械系統，可以研究三個改變量并與基線值相比較（如下所述）。
光斑尺寸
光斑尺寸改變量是根據 OpticsBuilder 基線構型和 OpticsBuilder 修改后構型之間的差異絕對值計算得出的。而 OB 基線構型僅包含光學和光闌表面，修改后構型還包含機械幾何體。由于光斑尺寸具有綠色復選標記，因此修改后構型與基線構型具有相同（或者差異可忽略）的光斑尺寸值。
光束遮擋 1.04%
在 OpticsBuilder 基線構型中擊中探測器，而在 OpticsBuilder 修改構型中未擊中任何探測器的光線，被視為遮擋光線。因此，遮擋光線百分比的定義方法是將 OpticsBuilder 修改構型中未擊中探測器的光通量除以在 OpticsBuilder 基線構型中擊中探測器的光通量乘以100。
展開 在本系列的 5 篇文章中，我們將對激光加熱效應進行仿真，包括由于鏡頭材料溫度升高而引起的折射率變化，以及由機械應力和熱彈性效應造成的結構變形。
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光機械設計準備
光學設計完成后，下一階段就是為光學元件創建機械封裝。除了提供光學系統的保護和布局安裝外，透鏡和反射面的安裝設計還將引入機械導入光源。此外，這些機械元件還可以作為散熱器，為光學元件散熱。我們將在稍后的過程中探討這兩個問題，但現在我們將專注于光機械設計。OpticStudio 和 OpticsBuilder 之間的交互可大幅簡化這一過程。Prepare for OpticsBuilder 工具能導出光學系統，且導出格式方便光機工程師直接在他們的 CAD 工具中打開系統，其中包含創建光機系統所需的所有信息。
光機械系統整體創建完成后，整個設計便可以輕松導出到 OpticStudio 非序列模式。OpticStudio 非序列模式能夠將每個物體視為探測器，以計算系統中每個光學器件和機械表面上的吸收通量。額外的探測器可以記錄鏡頭體內的吸收通量。當激光以光束的形式在系統中傳播，我們可以記錄它們與元件的每一次相互作用。
通過利用 ZOS-API 的強大功能，此階段可以使用腳本自動檢索存儲在探測器上的通量數據，并為滿足FEA軟件包的輸入要求而配置輸出。此外，系統幾何結構也將作為 CAD 元件導出到 FEA 工具中。
這個過程包括 4 個階段：
將序列模式系統轉換為非序列模式，同時為光機設計做準備。
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介紹
在 Ansys
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將光學設計從Zemax OpticStudio導出為*. odx文件。
在Speos端通過ODX功能導入 *. Odx文件。
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中實施的溫度如下所示：
FEA結果
在對光機械模型進行網格劃分并確定熱載荷后
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