SolidWorks: профессиональный подход к проектированию в оптическом приборостроении

Совокупность интересных вопросов, требующих самых разнообразных инструментов, – решается в оптомеханике. Геометрическая модель, как таковая, обладает достаточной степенью сложности и требует высокой квалификации инженера, поскольку «неточности» и небрежности, которые, будем откровенны, присутствуют во многих проектах (это следствие общего падения инженерной культуры) не всегда могут быть компенсированы в процессе изготовления и сборки. В отличие, например, от сварных конструкций или элементов из листового металла, где можно «подварить», «подогнуть», «подрезать», или изделий из пластмасс, когда неудачно спроектированная защёлка или кнопка становится «правильной» после приложения соответствующего усилия. Изделия точной оптики требуют более ответственного отношения, поскольку даже незначительные отклонения от проекта делают работу бессмысленной, а если и проект был неудачным, то ущерб становится неприемлемым даже при самом попустительском отношении.

В этой связи возможность пройти этапы жизненного цикла от постановки задачи до изготовления с минимальной номенклатурой моделей и документации крайне важна. Здесь мы опишем специализированные инструменты для работы с оптоэлектроникой и затронем некоторые аспекты их применимости для традиционных задач инженерного анализа.

Для проектирования и расчётов в оптике и светотехнике одним из наиболее удачных инструментов является OptisWorks, функционирующий в среде SolidWorks и, в зависимости от конфигурации, позволяющий полностью сгенерировать оптическую систему из отражателей и преломителей (изобразительная оптика) и затем рассчитать (скорректировать) её, как светотехническую (фотометрический анализ и проектирование) в конкретном контексте с учётом всех оптических свойств. Процедуры оптического анализа основаны на определении оптической системы как последовательности прохождения поверхностей и тел, а также датчиков, что может быть сделано автоматически или вручную. После создания соответствующих оптических источников можно выполнить трассировку с получением диаграммы пятна и производных результатов в виде круга Эри, наилучшего фокуса, зависимости энергии в пятне от фокусного расстояния, и т.д. Следующая группа процедур рассчитывает параметры аберрации, коэффициенты Зейделя, фокусные расстояния, строит диаграммы функции передачи модуляции, рассеяния точки. Понятно, что работа в среде SolidWorks позволяет оперативно изменять состав системы и геометрию деталей, причём для синтеза линз и зеркал предусмотрены специальные алгоритмы, учитывающие возможную асферичность с корректной математической обработкой геометрии, как аналитической сущности. Последнее исключает возможные неточности, порождаемые трансляцией данных в оптические программы из «конструкторских» САПР. Более того, даже будучи созданной в среде SolidWorks посредством его базовых команд, геометрия линз и отражателей для оптического анализа и проектирования может быть использована только с большими оговорками.

Рисунок 1. Автоматический синтез оптической последовательности

Рисунок 2. Расчётная оптическая модель с трассировкой лучей, диаграммой пятна и производными результатами

Рисунок 3. Оптическая трассировка с оценкой искажений, параксиальными характеристиками и функцией передачи модуляции

Рисунок 4. Постановка задачи оптимального проектирования – поиск положения окуляра

Источниками света (излучения – если анализ происходит за пределами видимого спектра) могут быть разнообразные сущности, включая предварительно созданные в предыдущих расчётах или импортированные с сайтов производителей файлы лучей, что гарантирует достоверность и однозначность светотехнической модели. Более того, ведущие поставщики элементной базы, помимо собственно светотехнической информации, предоставляют геометрические модели источников света – их применение повышает наглядность моделей и сокращает трудоёмкость проектирования.

Рисунок 5. Фотометрическая трассировка расходящимся пучком с освещённостью экрана

Рисунок 6. Параметры отражённого от деталей объектива света

Фотометрическая модель OptisWorks естественным образом генерирует диаграммы яркости для произвольного положения наблюдателя с учётом полной информации о сцене. Более продвинутые модули в состоянии обработать результаты трассировки с созданием на этой базе реалистичных (в непосредственном смысле этого слова) изображений и – при наличии соответствующей лицензии – учесть особенности психофизиологии человека при восприятии изображения.

Рисунок 7. Модель с детектором яркости в направлении взгляда и результат расчёта яркости

Рисунок 8. Влияние возмущений, вызванных нагревом объектива, на сигнал на датчике

В отдельном модуле содержится функционал по моделированию прохождения лазерного излучения – сама геометрическая и расчётная модель остаётся неизменной.

С целью экономии ресурсов и обеспечения качества, разработка оптических устройств должна осуществляться при оперативном взаимодействии всех участников: оптиков, тепловиков, прочнистов, тем более, что иногда затруднительно «расчленить» отклик конструкции на соответствующие факторы. Например, актуален вопрос о влиянии деформаций различной природы на оптические характеристики. SolidWorks с его расчётным функционалом (Simulation, Motion, Flow Simulation) предоставляет адекватные инструменты. Используя тепловую модель, учитывающую течение среды и теплообмен излучением (в частности с учётом спектральных свойств), можно получить температурное поле. Оно, в совокупности с другими источниками деформаций: гравитацией, силами, натягами, будет источником информации для расчета деформированного состояния. Оно, так или иначе, учитывается в оптической модели – присутствует функционал по сохранению деформированного вида, анализу отклонений характерных точек и измерению их взаимного положения. Вместе с возможностью «превращения» траекторий лучей в эскизы SolidWorks, это формирует дополнительную базу для сравнения моделей.

Кстати говоря, качественная тепловая модель, предоставляет информацию как о распределении температуры, так и о тепловых потоках. Она, в зависимости от доступного функционала фотометрического анализа, может быть использована при анализе качества изображения в изделиях точной оптики.

Рисунок 9. Перемещения под действием охлаждения и натяга в резьбовых соединениях

Рисунок 10. Контактные напряжения между деталями объектива, вызванные натягом и тепловыми деформациями

Рисунок 11. Расчётная модель ретрорефлектора с присоединёнными массами и закон гармонического возбуждения

Рисунок 12. Собственные частоты с учётом исключенных масс

Рисунок 13. Ускорение для одной из резонансных частот при вибрации и отклик по ускорению точки на призме

Рисунок 14. Возбуждение ударным ускорением и состояние в момент максимальной перегрузки

Рисунок 15. Отклик по перемещению характерной точки на призме

Рисунок 16. Напряжения сжатия в стекле при ударе