簡介
設計和構建光學元件的工程團隊會在相應元件進入製造流程之前非常小心地對設計的所有方面進行建模、模擬和虛擬測試。他們這樣做是為了確保每個最終產品都能在真實的環境中正常運行。為了取得成功，構建光學系統的團隊必須不斷在準確性和速度之間進行權衡，以獲得有效的結果。速度顯然非常重要，它決定了能否按照服務於公司使命的時間表將新系統投入生產。但準確性也同樣至關重要， 特別是在環境因素有可能對光學元件產生結構或熱影響的情況下，例如高功率雷射器、航空航太系統或其他讓光學元件暴露於大範圍溫度或結構變化的應用。構建這些系統的工程師還必須準確地預估可能影響其光學設計的所有結構條件和熱條件。在許多情況下，他們只有一次嘗試的機會。
結構性能、熱性能和光學性能 (STOP) 分析可以提供實現有效系統性能所需的資料，從而使系統能夠承受可預測的結構條件和熱條件。然而，對於許多光學設計團隊而言，有效的 STOP 分析仍然是一個無法企及的目標。他們往往要犧牲準確性來換取速度 ：僅僅是對單個設計進行分析，便有可能會花費頂級工程師數周甚至數月的時間。此外，這種分析所使用的系統通常獨立於團隊的中心光學設計、CAD 和有限元分析 (FEA) 工作流之外，因此在將STOP 分析納入其光學設計工作流時，會導致更多延遲和更高的出錯幾率。
如果無法同時確保準確性和速度，STOP 分析就會成為整個工作流中的一塊攔路石。過去，一些公司甚至最後直接跳過這一步，在沒有進行分析的情況下冒險生產，並將產品推向市場。他們在沒有進行該分析的情況下就冒著風險直接進行製造並將產品推向市場。但隨著可提供最高性能的小型光學系統越來越受歡迎，更多公司開始想方設法，盡可能打磨和凸顯產品的設計優勢。這股市場力量越來越要求設計團隊執行 STOP 分析，無論執行這個過程有多麼繁瑣和耗時。
Zemax 仔細研究了這些挑戰，並通過與客戶合作推出了一款解決方案 ：OpticStudio 結構、受熱、分析和結果 (STAR) 模組。STAR 模組擴展了 OpticStudio 的功能，在使用最廣泛的光學設計平臺中添加了STOP 分析功能。借助易於使用的介面和該模組與OpticStudio 的集成，您現在可以減少人為錯誤， 並可通過避免重複設計和混亂的資料傳輸來節省時間。
OpticStudio STAR 模組可為您提供以
• 直接從任何 FEA 套裝軟體導入資料
• 對任何光學系統設計的結構負荷和熱
• 使用 Zemax 應用程式設計發展介面 (API) 實
本白皮書概述了上述功能，並詳細介紹了OpticStudio STAR 模組如何説明光學工程師輕鬆、準確地將 STOP 分析集成到光學系統設計工作流中。
簡化並普及 STOP 分析，而不影響其品質
在設計 STAR 模組時，Zemax 完成了使任何光學設計專案都可以訪問 STOP 分析的複雜工作，籍此， 只需使用任何 FEA 套裝軟體中的簡單的定位字元分隔型文本輸出檔，即可將結果導入入 OpticStudio。通過從您選擇的 FEA 套裝軟體中匯出資料，然後將這些資料無縫地構建到其他設計驗證活動中，您的設計團隊可以更全面地研究熱形變和結構形變對其光學元件設計的影響。
無論是從使用者介面級別還是應用程式設計發展介面 (API) 級別來 看，OpticStudio STAR 模組都是OpticStudio 中的完全原生模組。作為 OpticStudio 的一部分，而不是一個獨立的工具，STAR 模組可與所有其他 OpticStudio 序列工具和分析無縫交互。若要查看 FEA 資料對自己設計的系統的影響，工程師只需載入 FEA 資料便可直接查看。
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圖 1. OpticStudio STAR 模組在現有的 OpticStudio 使用者介面中添加了直觀的 STOP 分析工作流選項卡。
通過這種方式，STAR 模組還使光學工程師能夠輕鬆進行跨團隊協作，一起在一個共用的光學設計檔中更改設計，從而避免了合併外部驗證週期時所需的額外步驟以及任何因缺乏溝通而導致的返工。
客戶示例 ：探索紫外光譜和搜索地外生命
2021 年的國際光學工程學會 (SPIE) 會士、亞利桑那大學光學科學與天文學副教授 Daewook Kim 博士帶領了一個團隊，專注於設計和分析用於研究以及NASA 實際任務（如 Aspera）的光學系統，如空間高對比日冕儀系統（如 CDEEP）和紫外空間望遠鏡項目。他們目前的項目集中在紫外光譜以及系外行星的發現和探索上。
Kim 和他的團隊多年來一直使用 OpticStudio，利用光線追蹤技術製作複雜的光學設計。借助OpticStudio STAR 模組，他們可以將 FEA 資料直接導入現有 OpticStudio 實施中，從而快速輕鬆地執行 STOP 分析，進而根據結構和受熱方面的複雜性（例如特定溫度梯度環境中光學表面的形變）進行設計修改。
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圖 2.2021 年的 SPIE 會士 Daewook Kim 博士和他的團隊使用
Kim 表示 ：“STOP 分析對於我們在這裡所做的工作至關重要，使用我們自己開發的系統進行內部處理時，我們花費了很多時間，不得不一遍又一遍地進行檢查。使用 STAR 模組後，我們對 FEA 資料分析的準確性充滿信心 —— 不確定性被消除，我們可以直接在 OpticStudio 介面中查看各種分析。”
通過使用 STAR 模組，Kim 的團隊兼顧了速度和準確性。準確性的實現得益於他們無需再手動將一個系統的輸出內容輸入另一個系統，這樣便可以避免隨之而來的人為錯誤風險。速度則是通過減少執行這些手動計算所需的時間和專業知識來實現的。
對於 Zemax 專注於通過 OpticStudio STAR 模組改進光學設計工作流的做法，Daewook 是這樣評價的 ：“流程現在得到了簡化 ；不確定性消失，我們需要的所有功能都在一個套裝軟體中提供。這在小項目中為我們節省了數天的時間，在大型項目中更是節省了整整幾個月的時間。而且，通過使用者介面中的圖形表示，我們可以清楚地確認我們在設計中使用的資料與我們在 FEA 軟體中看到的資料完全一致。”
STAR 模組體現了 Zemax 的使命，即提供專注于實際應用的技術——與 Kim 博士這樣的客戶和行業領袖對話，為他們提供直接解決他們面臨的最大問題的解決方案。通過繼續促進這種對話並優先考慮實際的、現實的需求，Zemax 在為依賴光學設計和製造的所有行業的公司打造工具和功能方面保持著領導地位。
“ 現在，我們將 FEA 軟體中的資料載入到 OpticStudio 中，並使用 STAR 模組進行 STOP 分析。我們可以快速輕鬆地看到結構影響和熱影響，並確保我們的光學設計準確無誤。”
Daewook Kim
2021 年的 SPIE 會士、亞利桑那大學光學科學與天文學副教授
工作原理
Zemax 在研究中發現，許多工程團隊都會儘量避免投資新的工作流優化技術，因為他們擔心對現有工具的投資會失去價值。例如，如果一個公司及其員工已經熟悉某個特定的 FEA 解算器，一旦光學設計工作流的更改涉及購買全新的工具並需要進行重新培訓，他們便會猶豫不決。
Zemax 在引入 OpticStudio STAR 模組時仔細考慮了這一障礙，認為確保與 OpticStudio 工作流無縫集成的最佳方法是使 STAR 模組可以與市場上的任何 FEA 解算器相容。為了盡可能全面地進行集成， STAR 模組以簡單的定位字元分隔型文字檔（任何 FEA 套裝軟體都可以提供這種匯出格式）形式接受 FEA 分析資料。
Zemax 經常看到設計團隊擔心由熱效應或結構效應引起的性能變化。STAR 模組具有更高的靈活性，允許使用者在需要時分別單獨對熱分析和結構形變進行建模，而不是同時建模。這意味著您可以像執行較 快的驗證分析一樣輕鬆地執行深入的 STOP 分析。或者，創建自己的文字檔或缺少 FEA 的工程師可以將文字檔作為指令碼語言（如MATLAB）的輸出提供。
本部分介紹了使OpticStudio STAR 模組高效而獨特的概念和功能。
• 通用 FEA 資料導入
• 支援根據 OpticStudio 設計調整 FEA 資料的視覺化功能
• 為執行 STOP 分析而擬合和分析 FEA 影響
• 採用 OpticStudio 集成工作流，易於使用
• 採用 STAR 模組 API，可輕鬆實現自動化
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圖3. OpticStudio STAR 模組 UI 中的 FEA 資料總結示例，基於從任何 FEA 解算器匯出並導入 OpticStudio 的結構資料文字檔和熱資料文字檔。
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對 FEA 影響進行調整、視覺化和擬合（包括非均勻資料）
將 FEA 資料導入 OpticStudio 後，可以調整坐標系，然後只需按一下一下，即可將 FEA 資料與設計中的正確光學表面相匹配。完成後，OpticStudio STAR 模組將執行數位擬合，並將相關更改應用於光學表面。
在進行設計更新後，分析將顯示載入的 FEA 資料的影響，您可以輕鬆量化其在光學性能上的影響。在需要更低擬合誤差的特殊情況下，可以根據需要微調 FEA 擬合，以進一步減小殘差。STAR 模組提供擬合控制項和有關整個光學表面的擬合品質的圖形表示。
讓我們來詳細瞭解一下這三個步驟。
1. 調整座標
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FEA 模擬過程中使用的坐標系通常與 OpticStudio 中使用的坐標系不同。Zemax 研究表明，局部和全域坐標系的複雜失配以及解決失配所需的困難計算是阻礙光學設計團隊尋求在其OpticStudio 設計中考慮 FEA 資料影響的主要障礙。STAR 模組支援對錯誤對準的 FEA 資料的變換矩陣進行自動計算 —— 只需在 OpticStudio 使用者介面中按一下一下即可。
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.jpg) 圖 4. OpticStudio STAR 模組中的“載入 FEA 資料”工具可讓您通過定位字元分隔的文字檔導入 FEA 解算器中的資料，並執行坐標系之間的一鍵映射以及光學表面匹配。
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OpticStudio STAR 模組讓您只需按一下一下即可實現這些坐標系之間的轉換，確保 FEA 資料的方向在FEA 套裝軟體和光學設計套裝軟體之間正確轉換。使用“載入 FEA 資料”工具（隨 STAR 模組提供）中的繪圖區域，您可以輕鬆驗證導入的資料是否根據光 學表面進行了調整。在局部和全域設置之間更改坐 標系時，STAR 模組將自動計算相關變換矩陣，以便由繪圖區域表示隨後的數值擬合。如圖 4 所示， 結構分析和熱分析結果均單獨顯示在工具內的一個選項卡上。
圖 5 顯示了一個示例，用來展示在載入 FEA 資料後，STAR 模組如何自動計算匹配局部和全域坐標系以及解決調整問題所需的轉換。
圖 5 顯示了一個示例，用來展示在載入 FEA 資料後，STAR 模組如何自動計算匹配局部和全域坐標系以及解決調整問題所需的轉換。
2. 載入資料並將其與設計擬合
導入並調整 FEA 資料後，OpticStudio STAR 模組支援的下一個步驟是確保 FEA 資料的自動數值擬合足以滿足您的應用的要求。對於高精度應用，調整擬合對於能否獲得準確結果有著至關重要的影響 ： 擬合品質越好，STOP 分析的品質就越好。
為了實現這一點，OpticStudio STAR 模組提供了表示擬合品質的視覺化物件，以説明驗證數值擬合足以滿足您的需要。通過對擬合效果進行視覺化處理並在集成的擬合評估工具中進行呈現，STAR 模組為工程師提供了一種強大而直觀的方式，讓他們確信他們正在最大限度地提高用於 STOP 分析（現可在 OpticStudio 中進行）的 FEA 資料的品質並將相應影響納入其光學設計。
該模組通過對 FEA 分析中的非均勻結構形變和熱分佈應用強大的二維和三維數值擬合算法來執行複雜擬合。這種演算法會將表面形變轉化為非均勻網格矢高資料，將三維溫度分佈轉化為非均勻梯度指數表示形式。這種組合使您能夠分別或同時查看結構形變效應和熱分佈效應。
如圖 6 所示，STAR 模組的擬合評估工具顯示了原始 FEA 資料與 FEA 資料的數值擬合之間的差異 ； 完美擬合時的差異將為零。該模組還提供了相關的擬合參數控制項，以便您可以輕鬆地在繪圖區域中實現更改的視覺化。
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圖 6. OpticStudio STAR 模組中的擬合評估工具可説明您直觀顯示FEA 資料與設計中光學表面之間的擬合錯誤並進行微調。
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圖 7. FEA 資料與設計的擬合品質（使用 STAR 模組的擬合評估工具之前和之後）。
對於某些參數（例如剛體移動量），STAR 模組會在執行數值擬合之前自動計算並刪除這些參數。如果刪除剛體移動量有可能會損害擬合品質，您可以輕鬆更改設置並重新擬合以查看效果，最終達到減少系統中的總體誤差的目標。圖 7. FEA 資料與設計的擬合品質（使用 STAR 模組的擬合評估工具之前和之後）。
通過參考視覺化物件，您可以通過在擬合評估工具中調整控制參數（例如網格參數或擬合公差）來對擬合進行微調。每次您執行此操作並按一下“應用”時，該工具都會刷新視覺化物件以顯示修改後的擬合。通過這種方式，STAR 模組提供了一種簡單的方法，來“消除”擬合 FEA 資料期間出現的任何錯誤，直到設計的最終擬合達到可接受的限值或殘差範圍。
.jpg) 圖 8. 導入 FEA 資料後在 OpticStudio STAR 模組中實現的視覺化示例。
.jpg) 圖 9. 上圖 ：光學設計中的原始波前差。中圖 ：添加FEA 數據後的波前差 ；Zemax 發現，使用者無法輕鬆看出圖片是否反映了任何變化，因此提供了一個 STAR 模組選項來計算相應差異。下圖 ：計算後的視覺化物件，顯示了對波前差大小和形狀的影響。
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3. 將 FEA 資料對設計的影響視覺化
擬合過程完成後，您便可以觀察 STOP 分析並從中得出見解。OpticStudio STAR 模組中包含“系統檢視器”工具，該工具可實現光學設計以及形變幅度和折射率變化的視覺化。這可以快速顯示熱點，即預計結構影響和熱影響會顯著影響光學性能的變化的點。該工具在形變幅度的彩色編碼範圍內顯示這些熱點，如圖 8 所示。
同樣，STAR 模組內置的 OpticStudio 增強功能允許您在應用FEA 資料之前和之後輕鬆分析面型矢高和波前圖，從而深入瞭解資料集對其造成的變化。圖 9 顯示了一個波前差圖示例。
現在，通過 OpticStudio 內部的 STOP 分析，您可以清楚、準確地瞭解 FEA 資料對光學系統的影響。您還可以查看不同的方向向量如何影響這些變化，以及查看熱資料體素和平面。OpticStudio STAR 模組生成視覺化物件，使您能夠利用從當前設計工作流的 FEA 解算器匯出的簡單文字檔獲得這些見解，並且在不離開 OpticStudio 的情況下，您只需按一下幾下， 即可將這些見解應用到設計的下一次反覆運算中。
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簡化工作流：輕鬆使用，輕鬆實
三個關鍵的可用性目標推動了 OpticStudio STAR 模組的開發 ：讓各種經驗水準的光學工程師都能進行STOP 分析、將該分析集成到現有的工具集和工作流中以及實現自動化。
為了提供這一級別的可用性，Zemax 為 STAR 模組配備了一個直觀的使用者介面以及一個功能強大的 API， 前者作為 OpticStudio 中的一個新選項卡存在，後者可用於編寫腳本以實現自動化。在下一頁，我們將了
與現有工具搭配使用
OpticStudio STAR 模組可普遍支援任何 FEA 套裝軟體的基本定位字元分隔輸出，因此公司無需進行額外的軟體或培訓投資，即可集成 STOP 分析。同樣，由於 STAR 模組就在 OpticStudio 內，因此團隊可以利用他們對Zemax 工作流的現有瞭解，將 FEA 載入和分析功能無縫集成到現有工作流中。這種瞭解包括能夠在為系統創建的原始 OpticStudio 設計檔中工作時執行 STOP 分析。
簡化並普及 STOP 分析
一鍵導入 FEA 資料意味著工程師可以完全在 OpticStudio 中執行 STOP 分析，從而簡化這項工作。OpticStudio STAR 模組中內置有視覺化工具和分析功能，使任何光學工程師都能輕鬆地直觀查看並深入瞭解解決方案的結構影響和熱影響。總之，這些因素使更多的工程師可以使用 STOP 分析，並降低了團隊對曠日持久的外部FEA 分析過程的依賴，因為這些過程會在需要及時進行系統設計時造成瓶頸。
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在較大的工作流中實現 STOP 分析的自動化
OpticStudio STAR 模組包括一個名為 STAR-API 的API，該 API 允許您自動執行任務和工作流步驟， 如高功率鐳射應用中的熱透鏡階段。對於這種類型的分析，您可以輕鬆地在不同時間點自動分配 FEA 資料，然後提取感興趣的光學指標（如光斑大小、波前差或光程長度），並瞭解這些指標如何隨時間和溫度變化。
STAR-API 可以與使用相同語言編寫的 OpticStudio ZOS-API 進行本機對話，以在典型光學設計環境中簡化 OpticStudio 與其他工程類比工具之間的連接， 在不失真的情況下實現工作流的自動化。
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.jpg) 圖 10. STAR 模組顯示圖示例，展示了考慮結構效應和熱效應的情況下，聚焦雷射光束大小隨時間的變化。第一張圖展示了初始 STAR 模組讀數的表現，第二張圖展示了相同讀數在 10 秒後的表現。
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結論
OpticStudio STAR 模組為光學工程師提供了許多強大而又獨特的功能，讓他們能夠以以前無法實現的方式改進設計工作流和產品性能。通過在分析熱性能和光學性能時兼顧速度和準確性這兩個至關重要的因素，您的團隊可以更快、更自信地做出更好的設計和製造決策。以下是 ZEMAX 平臺在擴展到包括 OpticStudio STAR 模組後所帶來的好處 ：
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強大的 STOP 分析
通過應用一流的數值擬合算法來分析結構負荷和熱負荷對系統性能的影響，及時深入地瞭解您的光學系統設計。
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可實現自動化
通過使用 STAR 模組 (STAR-API) 和 OpticStudio (ZOS-API) 應用程式設計發展介面在工作流中實現 STOP 相關任務的自動化，可以獲得更高的效率。
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使用簡單
將 STOP 分析集成到了現有工作流中，可接受任何FEA 套裝軟體中的資料，以便利用現有 FEA 系統投資； 使用 OpticStudio UI 中內置的直觀視覺化分析輕鬆瞭解 STOP 影響。
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數據的大眾化
不再依賴專家花費寶貴的時間一遍又一遍地檢查STOP 分析計算，讓所有工程師都能夠輕鬆準確地驗證您的 FEA 和 Zemax 解決方案之間的 STOP 分析資料。
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在設計結構因素和熱因素對性能有重要影響的高難度光學系統時，獲得所需的速度和準確性。通過集成OpticStudio STAR 模組來擴展 OpticStudio 的功能，任何光學設計團隊都可以將 STOP 分析活動所需的時間從數月減少到數天，同時確保在相應結構和熱條件下類比其產品性能的高度準確性。
業務聯絡：ansys_sales@cybernet-ap.com.tw
