Ansys Speos | 基于 Workbench 和 Speos 的准直全反射透镜优化设计案例

基于Ansys Speos软件提供的一种先进光学系统模型建立与成像仿真方法，该文章详细介绍了如何在使用Speos完成初始光学系统建模后，通过Ansys Workbench高效地优化系统参数以满足设计要求。该流程不仅显著提升了设计效率，还确保了仿真结果的高度准确性和可靠性。以全反射透镜Total Internal Reflection (TIR Lens)为例，本文全面展示了如何利用Workbench直接优化功能驱动Speos进行自动化仿真，实现准直全反射透镜优化设计的全过程。

全反射透镜设计与仿真

首先通过Speos的光学元件设计模块(Optical Part Design，OPD)构建TIR Lens模型，目标是使测试区域的光照尽可能均匀，主要衡量指标是RMS值，该值越小，表示光照均匀性越好。TIR Lens的参数包括内表面半径、外表面半径、透镜厚度和基面位置等，这些参数对光路和实际的成像效果有直接影响。原始设置可能会导致照度不均匀性较大，此时利用Workbench的直接优化功能来调整设计参数，旨在提高均匀度并达到特定的RMS值要求。




Workbench优化流程构建

构建优化工作流时，首先需在Workbench中连接Speos和DesignXplorer，通过相关性分析或实验设计算法（例如拉丁超立方体抽样、中心复合设计或稀疏网格法）创建设计点列表。这样的设置为参数的变化提供了布局框架，旨在不同设计参数组合下获取各类优化结果。

目标与约束设置

在优化目标设定阶段，不仅要考虑RMS值，还需要确保平均照度和光通量达到一定的阈值，以防止光的过度扩散和确保整体光学性能。此外，通过设置设计约束，限制光学参数的变化范围，以获得兼容于实际材料和条件的优化结果。

优化结果分析

优化完成后，通过Workbench显示的优化界面，可以直观地分析优化进度和成果，查看各候选参数下的约束条件、优化方法及结果。比较初始设置与优化后结果，评估优化过程中RMS值、平均照度和光通量的变化。

仿真验证与优化效果

最后将优化参数带回Speos进行仿真验证，查看仿真结果以确认优化效果。例如，通过候选点3的仿真结果，可以检测到其不仅在GPU中的光斑分布均匀，平均照度和光通量都高于先前设置的阈值，从而确认该点为最佳设计结果。