5 - 2006

SolidWorks/OptisWorks — интегрированная среда анализа и синтеза в светотехнике и оптике

Часть 2. Оптический анализ и структура программного комплекса

Андрей Алямовский

Продолжим рассмотрение возможностей приложения OptisWorks для анализа и синтеза светотехнических и оптических систем в среде SolidWorks. В первой части была рассмотрена задача проектирования и анализа светотехнической конструкции, а во второй мы продемонстрируем пример анализа оптической системы.

Приведенный ниже пример основан на материалах учебного пособия OptisWorks. На рис. 1 показана геометрическая модель бинокля, на которой для наглядности один из монокуляров отсечен вертикальной плоскостью. В модели присутствуют две поверхности: круглая, на которой будет располагаться фотометрический источник, и квадратная — будущий детектор. Также вставлен эскиз, к которому будут привязываться оптические источники. В левой части окна SolidWorks присутствует дерево проекта OptisWorks, содержащее информацию об объектах оптической системы. Материалы тел, поверхностей, а также окружающей среды были назначены ранее. Сама оптическая система включает линзы, взятые из одного из каталогов, являющихся опциональными при­ложениями пакета, а также линзы, синтезированные непосредственно в OptisWorks.

Рис. 1. Геометрическая модель конструкции и дерево проекта

Рис. 1. Геометрическая модель конструкции и дерево проекта

Аналогично тому, как мы делали это в первой части, создаем детектор, который будет функционировать как в оптическом, так и в светотехнических расчетах. Интерес будут представлять спектральные характеристики, настройку которых можно выполнить в аналоговом окне свойств детектора.

В отличие от фотометрической симуляции, где траектория хода луча определяется случайным образом, оптический расчет подразумевает детерминированность траектории. На базе объектов эскиза SolidWorks создаем источник «От точки к точке» (фактически — луч света), а затем выполняем автоматическое определение оптических объектов, встретившихся на пути луча (рис. 2). На базе этой трассировки программа создает оптическую систему. При необходимости порядок следования объектов можно регулировать вручную.

Рис. 2. Автоматическая генерация оптической системы

Рис. 2. Автоматическая генерация оптической системы

Оценить оптические свойства системы в первом приближении можно, создав коллимированный (в данном случае плоский) источник с заданными спектральными характеристиками, поместив его в оптическую систему и выполнив трассировку лучей (рис. 3).

Рис. 3. Трассировка лучей от коллимированного источника

Рис. 3. Трассировка лучей от коллимированного источника

Если создать удаленный источник с назначенным распределением лучей по направлениям и выполнить трассировку лучей, то можно идентифицировать оптические параметры системы для назначенной длины волны (рис. 4). В таблице выводятся фокусное расстояние и заднее фокусное расстояние.

Рис. 4. Трассировка лучей от удаленного источника и коллимированного источника и оптические параметры системы

Рис. 4. Трассировка лучей от удаленного источника и коллимированного источника и оптические параметры системы

Рис. 5. Диаграмма волнового фронта и диаграмма пятна

Рис. 5. Диаграмма волнового фронта и диаграмма пятна

Можно отобразить диаграмму волнового фронта (рис. 5а), предварительно определив способ ее получения. Изменив распределение лучей так, чтобы они стали параллельны, получаем диаграмму пятна (рис. 5б). В окне присутствует функция определения наилучшего фокуса.

Если выполнить оптическую трассировку параллельных лучей от кругового источника, то можно получить качественную оценку системы, наблюдая траектории паразитных лучей (рис. 6). Результат фотометрической трассировки с 5 млн. лучей в виде освещенности экрана показан на рис. 7а. Отметим, что помимо пятна в центре наблюдается кольцо, которое, однако, не слишком выражено. Если уменьшить отображаемый диапазон функции, то картинка станет более контрастной (рис. 7б). При этом цвет кольца изменяется от центра к периферии, что обусловлено хроматическими аберрациями, поскольку трассировка выполнялась с учетом спектральных характеристик.

Рис. 6. Траектории лучей при фотометрической трассировке

Рис. 6. Траектории лучей при фотометрической трассировке

Рис. 7. Результат фотометрической трассировки: а — освещенность детектора; б — выделенный диапазон интенсивности

Рис. 7. Результат фотометрической трассировки: а — освещенность детектора; б — выделенный диапазон интенсивности

Если увеличить модель с траекториями лучей, как показано на рис. 8 (в данном случае лучи отображены с учетом «переносимого» ими цвета), то можно предположить, что источником паразитных лучей, а также хроматических аберраций является коническая грань на линзе. Сделаем ее абсолютным поглотителем (рис. 9).

Рис. 8. Траектории лучей с учетом спектральных характеристик

Рис. 8. Траектории лучей с учетом спектральных характеристик

Рис. 9. Назначение поверхности поглощающих свойств

Рис. 9. Назначение поверхности поглощающих свойств

Повторим трассировку лучей для модифицированной системы. Диаграмма освещенности детектора с модифицированным диапазоном интенсивности показана на рис. 10. Как видно, аберрационная полоса исчезла.

Рис. 10. Освещенность детектора для модифицированной системы — выделенный диапазон интенсивности

Рис. 10. Освещенность детектора для модифицированной системы — выделенный диапазон интенсивности

Заканчивая рассмотрение примеров использования программы, отметим, что документация содержит описание ряда задач, близких к практике инженера-светотехника и оптика, например проектирования световодов, расчета изделий автомобильной светотехники, моделирования лазерных пучков и т.д.

OptisWorks поставляется в нескольких базовых конфигурациях (табл. 1). Они систематизированы по сферам деятельности: оптика, светотехника, лазерные системы, фотореализм, человеческое зрение.

Таблица 1. Базовые конфигурации OptisWorks

Таблица 1. Базовые конфигурации OptisWorks

Таблица 2. Опциональные приложения OptisWorks

Таблица 2. Опциональные приложения OptisWorks

Расширить функциональные возможности базовых конфигураций можно за счет опциональных приложений (табл. 2).

Представление о функциональных возможностях конфигураций OptisWorks в совокупности с расширениями можно составить на основании данных табл. 3.

Таблица 3. Функциональные возможности конфигураций OptisWorks

Таблица 3. Функциональные возможности конфигураций OptisWorks

При необходимости выполнения специальных видов анализа: наличии специальных поверхно­стей, материалов, источников и т.д. в базовые конфигурации можно включить дополнительные модули (табл. 4).

Таблица 4. Дополнительные модули OptisWorks

Таблица 4. Дополнительные модули OptisWorks

Таблица 5. Библиотеки объектов OptisWorks

Таблица 5. Библиотеки объектов OptisWorks

Разработчики OptisWorks уделяют большое внимание подготовке библиотек элементов светотехнических/оптических систем, источников света, материалов и поверхностей. Для получения достоверных проектов использование адекватной информации является критически важным. В состав библиотек входят также инструменты для проверки соответствия изделия определенным стандартам. В базовую поставку входит доступ к определенной номенклатуре объектов. По мере необходимости пользователь может приобретать другую информацию (табл. 5).

Как показывает практика, характеристики, например, светотехнических объектов из-за несоответствия реальных свойств поверхностей и материалов тем, которые использованы в модели, могут изменяться в несколько раз. Это обусловлено различными причинами, например отклонениями от технологии, вариацией свойств материалов, износом оборудования и т.д. В результате при массовом производстве изделие перестает соответствовать требованиям, достигнутым на опытной партии. Возникает необходимость повторного анализа конструкции с достоверными «первичными» характеристиками компонентов. Поэтому вместе с программным обеспечением предлагаются также программно-аппаратные комплексы для получения точных светотехнических характеристик объектов.

Завершая представление OptisWorks, отметим, что совместно с системой геометрического моделирования SolidWorks этот модуль позволяет решить абсолютное большинство задач по разработке светотехнических конструкций произвольной сложности, а также выполнить анализ и оптимизацию оптических систем. За более подробной информацией о функциональных возможностях OptisWorks обращайтесь в компанию SolidWorks-Russia.


Продолжение. Начало в № 4’2006

В начало В начало

САПР и графика 5`2006