oofelie for advanced optics manual & tutorial ·...

Tutorial - OOFELIE for Advanced Optics Rev.3

1 ELDC

エレメンタルデザイン＆コンサルティング株式会社 Elemental Design & Consulting Co., Ltd.

ELDC

エレメンタルデザイン＆コンサルティング株式会社

www.eldc.co.jp

Rev.3：２０１５年７月１６日

OOFELIE for Advanced Optics

Manual & Tutorial


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ELDC

はじめに

１．本資料は、OOFELIE開発元(ベルギーOpen Engineering S.A. 社)が作成したマニュアル(英文)を補完するもの

です。すべての操作に関する内容は開発元が作成したマニュアルをご参照ください。

２．本資料の著作権は、エレメンタルデザイン＆コンサルティングにあります。

３．弊社の書面による許可無く複製，送信，複写，情報検索のために保存すること、および他の言語に翻訳するこ

とを禁じます。

４．本資料に誤りや不正確な記述があった場合、エレメンタルデザイン＆コンサルティング株式会社はいかなる責

任、債務を負わないものとします。

５．本資料の記載内容は予告なしに変更されることがあります。

６．本資料の画像・表記等は実際と異なる場合があります。

Copyright © 2014 Elemental Design & Consulting Co., Ltd. All rights reserved

OOFELIE開発元 Open Engineering S.A.

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Contents：目次

Over View：概要

Tutorial 1: Opto-mechanical study of a Parabolic Mirror：パラボリック・ミラーの光学・構造連成の検討

Tutorial 2: Singlet Lens：単レンズ

Tutorial 3: Deformable mirror with piezoelectric actuators：圧電駆動アクチュエータ付きミラー（英語）

Tutorial 4: Chaining OOFELIE - ZEMAX：OOFELIE-Zemax連携の変更（英語）

【改訂履歴】

Rev. 2：Tutorial 2-4(英語版)を追加しました。

Rev. 3：Tutorial 2を日本語化しました。2015/07/16


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Over View：概要

Introduction：はじめに

OOFELIE::OptoThermomechanical は、熱・構造負荷を受ける光学システムのシミュレーションを行います。

外部の光学設計ソフトウェア（ここでは ZEMAX）から得られた光学デザイン(ノミナルの形態)からスタートし、こ

のモジュールは ZEMAXにより設計された光学素子とその支持構造を含むシステムについて、熱・構造シミュレー

ションを行うことが可能です。熱・構造解析の後、その結果は自動的に ZEMAXへエクスポートされます。この修

正された形態での光学性能の指標は、ノミナルの形態での値と自動的に比較されます。

OOFELIE::OptoThermomechanical を用いてモデル化できる代表的な適用方法は以下の通りです。

地上基地の望遠鏡のシミュレーション：simulation of ground-based telescope

高解像度レンズ：high precision lenses

軽量宇宙用ミラー：lightweight space mirror (parabolic reflector, ...)

その他：and others...

このパッケージは、ウインドウズの DDEプロトコルに基づいた ZEMAX-EEとメモリ内での連携を必要とするの

で、ウインドウズのみサポートしています。

注記：ZEMAXは、Open Engineering社及びその代理店から販売していません。ZEMAX社及びその代理店からの

ご購入が必要です。

Analysis types：解析種別

以下の解析タイプがご利用頂けます。

線形静解析：Linear Static

この線形静解析は、熱・構造の静的応答を計算します。その熱・構造の静的応答は、弾性場が材料構成則

を通して温度場と連成されています。

温度場と構造の対応する変位が計算されます。

それらは静解析であり、ダンピング(structural, static, viscous)や慣性(mass)の効果は考慮されません。

線形解析であり、荷重、応力、歪、電位等の全ての関係は線形と仮定されます。同時に、熱・構造の材料

構成則にてこれらの物理場が連成されます。

過渡解析：Transient

過渡解析は、熱・構造の応答を時刻歴で計算します。ここで、弾性場は材料構成則を通して温度場と強く

連成します。

温度場と構造の対応する変位が計算されます。

過渡解析では、ダンピング(structural, static, viscous)や慣性(mass)の効果が考慮されます。


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表：対応している解析データ一覧

Linear Transient

Behavior Volume ソリッド ○ ○ Oriented Volume 異方性のあるソリッド ○ ○ Shell シェル ○ ○ Beam ビーム ○ ○ Rod ロッド ○ ○ Membrane 膜 ○ ○ Orientated membrane 異方性のある膜 ○ ○ Lumped mass 集中質量 ○ ○ Mass per unit length 単位長さ当たりの質量 ○ ○ Mass per unit area 単位面積当たりの質量 ○ ○ Sequential lens シーケンシャル・レンズ ○ ○ Sequential mirror シーケンシャル・ミラー ○ ○ Non-sequential lens 非シーケンシャル・レンズ ○ ○ Pre-defined Properties （上級者向け） ○ ○ Material Elastic 弾性体 ○ ○ Thermal 伝熱体（熱伝導率・熱容量） ○ ○ Thermoelastic 熱弾性体 ○ ○ Constraints Clamp 完全固定 ○ ○ Locking 並進自由度拘束 ○ ○ Locking Rotation 回転自由度拘束 ○ ○ Prescribed displacement 初期変位 ○ ○ Prescribed displacement component 初期変位成分 ○ ○ Prescribed Temperature 初期温度 ○ ○ Isotemperature 等温条件 ○ ○ Prescribed Speed 初期速度 - ○ Prescribed speed component 初期速度成分 - ○ Prescribed Acceleration 初期加速度 - ○ Prescribed acceleration component 初期加速度成分 - ○ Predefined properties （上級者向け） ○ ○ Predefined connectivity set （上級者向け） ○ ○ Loads Resultant force 集中荷重 ○ ○ Line force 線荷重 ○ ○ Pressure 圧力 ○ ○ Surface force 面荷重 ○ ○ Volume force 体積荷重 ○ ○ Torque トルク ○ ○ Rotation speed 角速度 ○ ○ Acceleration 加速度 ○ ○ Surface heat flux 表面熱流束 ○ ○ Surface convective flux 表面熱伝達 ○ ○ Surface Radiative flux 表面熱複写 ○ ○ Volume Heat Source 体積熱源 ○ ○ Assemblies Contact 接触 ○ ○ Identical nodes 共有節点 ○ ○


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Tutorial 1: Opto-mechanical study of a Parabolic Mirror

パラボリック・ミラーの光学・構造連成の検討


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Tutorial 1: Opto-mechanical study of a Parabolic Mirror

このチュートリアルにて、パラボリック・ミラーと支持構造の光学・構造線形性解析について示します。

Phase 1では、二つのモデルの作り方を示します。ひとつは OOFELIE UIによる構造モデル、もう一つは ZEMAX

の光学モデルです。重力によるミラーの変形を解析し、ZEMAXの光学モデルを自動的に更新します。

Phase 2では、同じモデルを用い、ミラーの重要な剛体運動を引き起こす他の機械的な荷重を与えます。ここでは、

ZEMAXへの出力の仮定が変化することにより剛体運動がどのように考慮されるのかを確認します。

前提条件

ここで示された操作が出来るように、OOFELIE UI の操作経験がある方を対象とします。Zemax-EE のフルライセ

ンスが必要です。

本チュートリアルで説明する項目

この線形静解析は重力の影響を考慮し、以下の内容を示します。

・光学エンティティを含む構造問題の設定の方法と ZEMAXとの連携の方法

・重力によりどのようにミラーが変形するか

光学モデルの概要

以下に示される ZEMAXで考慮されたシーケンシャルモデル

パラボリック・ミラーのパラメータ

Type = Standard

Radius = -2000 mm

Semi-Diameter = 50 mm

Conic = -1

ミラーのサーフェスは surface 2 です。そのサーフェスは、そのストップとシステムが参照する全体座標を定義しま

す。光軸の方向は z軸方向です。このモデルは ZEMAXで作るのは簡単です。

モデルが必要な場合、例題のフォルダに用意されています。以下のフォルダを参照してください。

[インストールしたディレクトリ] ¥OOFELIEUI¥V8.6-B1-x64¥examples¥sfield¥Optics

そして、“ParabolicMirror.zmx”.をコピーして下さい。

（参考）ミラーのジオメトリモデルは ZEMAXで作られました。 the Tools -> Export Data -> Export

IGES/STEP/SAT/STL Solidを用います。ZEMAXで（ZEMAXモデルのサーフェス２を、 2mmの厚さ・平坦な基

盤とともに iges形式で出力。）OOFELIE UIにインポートした後、Shape Repair Mode –Shape healing – Split

Continuityの操作を用い、ジオメトリをリペアしました。本操作は、ミラーのサーフェスを４つのフェイスに分割

します。それは igesファイルを用いているためです。本チュートリアルのため、フォルダにはリペアされたモデル

を読み込みましょう。


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ZEMAX オプション

レソリューションの間、OOFELIEは、 DDE Windows mechanism により ZEMAXにつながります。そして、

ZEMAXも開始されることになります。OOFELIEが、 ZEMAXにユーザーによって規定された光学問題を起動す

るように要求します。そして、 ZEMAXの“Allow Extensions To Push Lenses” オプションが有効化されなければ

なりません。このオプションは、ZEMAXの環境設定で設定されています。

OOFELIEは最新の ZEMAXと対応しています。2010/10/26にリリースされた ZEMAXのバージョンから、解析フ

ィーチャーからのテキスト出力は、ANSI (ASCII) または Unicode フォーマットに対応します。なお、デフォルト

は Unicodeです。プロセスの間、ZEMAXから光学指標を取得するため、ANSIフォーマットが要求されます。こ

のオプションは、 ZEMAXの preferences画面にて行います（ TXT File Encoding欄にて ANSIを選択）。


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Phase 1: 自重を考慮したパラボリック・ミラーの解析

Starting up：スタートアップ

1. OOFELIE UI を開始

2. 「Solver Driver Settings」ウインドウにて、以下のオプションを選択

3. 「OK」をクリック.

4. 「Multiphysic Problem Configuration」ウインドウが表示されます。

【重要】「 Zemax Connection」をクリックし、オプションを「ON」にする。

「OK」をクリックする。


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Modeler：モデラー

1. モデラーモジュールを選択します。ここで、ジオメトリ関係のモデリングを行いま

す。本検討では、予め用意されたジオメトリモデルをインポートします。

2. 「File - Import geometry」を選択します。

「Import」ウィンドウにおいて、例題のアイコンをクリックします。

"brep"フォルダをクリックし、次に"Optics"フォルダをクリックします。

"ParabolicMirror_Holder.brep"を選択し、[Open]をクリックします。

例題の場所：[インストールしたディレクトリ] ¥OOFELIEUI¥V8.6-B1-x64¥examples¥brep

3. モデルがデータツリーと画面に表示されます。

データツリーの「ParabolicMirror_Holder」を選択すると、モデルがハイライトされます。右クリックを

して「Aspect - Shading」を選択します(*1)。さらに、右クリックをして、「Aspect -Transparency」を選

択します(*2)。

4. モデルを保存します。メニューバーから「File - Save」を選択し、名前を付けます。

(e.g. ParabolicMirrorTutorial.sfield).

これから解くべき問題を定義するためにデータを設定します。要素特性、材料特性、境界条件（拘束条件）、外部荷

重を設定します。

(*1)(*2) (*2)

(*2)


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Assign the Analysis data：解析データの設定

1. 「Analysis data」 . をクリックします。

2. データツリーの「ParabolicMirror_Holder」を選択します。

「Behavior.」をクリックします。

"Behavior"フィールドにおいて「Volume」を選択します。(*1)

"Placed on"フィールドにおいて、「SOLID」を選択します。(*2)

画面で全てのソリッドを選択します。(5 solids).

ボックス選択で、全てのソリッドを一度で選択することが出来ます。

[Apply]をクリックし、[Close]をクリックします。

(*1)

(*2)


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3. これから、ミラー・サーフェスに対応するフェイスについて光学的挙動を定義します。

(i.e. the surface that lies in the plane Z = 0).

データツリーから「SingletLens」を選択し、「Behavior」をクリックします。

"Behavior"にて「Sequential Mirror」を選択します。

"Sequential Lens Type"において、「Zernike Standard Sag」を選択します。これにより、OOFELIEが、

サーフェスの変形を、ゼルニケ標準多項式（Zerunike Standard Polynominals）の線形結合に変換しま

す。

"Aperture"において、「Circular」を選択します。

"Lens Order"において、「2」を選択します。この値が、ZEMAXの問題でミラーのサーフェス番号に相当

します。(mirror = surface 2).

"Nb polynoms"に、分解(decomposition)にて使用されるゼルニケ多項式（Zernike polynomials）の数をセ

ットします。この番号は、「1-231」の範囲でなければなりません。デフォルトは「28」です。本ケースで

は、100の多項式を選びます。

"Placed on"フィールドで、「FACE」を選択し、４つの面が以下のようにミラーとして定義されていること

を確認します。


OOFELIEが、ZEMAX内部で該当するサーフェスが Standardか Even Aspheric Surfaceであることをチ

ェックします。ZEMAX内部の定義により、これらのタイプのサーフェスのみがゼルニケ・サーフェス

(Zernike surface)に変換されます。


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4. これからデータライブラリーから材料特性をインポートします。インバー「Inver」を支持構造(holder)

に、「glass」をミラーに使用します。

「Analysis Data module」を選択し、メニューバーから、「File - Import Data」を選択します。

「Import Data」ウインドウにて、「sample directory icon」をクリックする。（Modelerの項参

照）

"DataLibrary"フォルダをクリックし、"Materials"フォルダをクリックする。

"Invarstd.sfmaterial"を選択し、[Import]をクリックする。

5. 同じ手順にて、"Glass.sfmaterial"をインポートします。

データツリーの中に、このふたつの材料が表示されます。

6. データツリーの「ParabolicMirror_Holder」を選択し、Material .をクリックします。

「Material」ウィンドウにて Fetch button をクリックし、「Fetch Data」ウインドウにて

"Invarstd"を選択し、[Close]をクリックします。以下のように、支持構造(holder)相当する４つのソリッド

を選択します。


7. ミラー基板についても同様に行います。Glassをミラー基板のソリッドに Glass材料を設定します。

8. ここから、解析のため、境界条件を設定します。

データツリーの「ParabolicMirror_Holder」を選択し、Constraint .をクリックします。

"Constraint" にて、Clampを選択します。

"Placed on"にて、オプション FACEを選択し、以下のように支持構造(holder)のフェイスを選択します。

[Apply]につづき[Close]をクリックします。


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9. データツリーで「Model」を選択し、Load をクリックします。(*1)

"Load"にて、Accelerationを選択します。

Amplitudeを 9.81 m/s2にセットし、－Z軸方向を以下のように選択します。

"Placed on"にて、MODELを選択します。


解析データの設定はこれで完了です。

データツリーの「Used Data」セクションは、以下のようになっています。

(*1)


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Mesh the model：メッシュ生成

1. これからモデルにメッシュを生成します。Mesh Module .をクリックします。

このモジュールでは、メッシャーが、問題が定義されたジオメトリを、離散化し FEMモデルを生成しま

す。これを行うためのデフォルトの手順がありますが、メッシュ制約を与える手順にて行います。

2. データツリーで「ParabolicMirror_Holder」を選択し、Length をクリックします。

「Average Length」ウインドウで、"Average Mesh Size"として、2mmを入力します。

3. データツリーで「ParabolicMirror_Holder」を選択し、Element Type をクリックします。

"Shape"にて、tetrahedron.を選択します。

"Order"にて、linear. を選択します。

"Method"にて、Delaunay-Voronoi. を選択します。


4. データツリーで「ParabolicMirror_Holder」を選択し、Generate をクリックします。

全てのデフォルト設定が問題なければ、 [Apply]をクリックします。

メッシュが生成され、データツリーの「Mesh section」は以下のようになります。

これにて、メッシュが生成され、解析を実行することが可能です。デモライセンスの場合、ソルバの実行は

できません。この場合、OOFELIEの資料にて、例題フォルダに収められている本例題の結果を開いてくだ

さい。

1. メニューバーから「File - Open」を選択します。

2. Examples icon . をクリックします。

3. "sfield"を選択し、 "Optics"を選択します。そして、"ParabolicMirror.sfield"ファイルを選びます。同じフ

ォルダに、ZEMAX updated file もあります。

4. "ParabolicMirrorUpdatedFromStep1.zmx"をコピーしてください。

5. 引き続き、結果を確認してください。


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Run the calculations：解析の実行

1. Optothermomechanical Analysis または Multiphysical Analysisのライセンスをお持ちの場合、Solver

module をクリックしてください。

2. Convert and Launch . をクリックしてください。

3. 「Files & Memory」タブをクリックしてください。

"Zemax Input File"欄に、 ZEMAX problemの場所を入力してください。これは、既存の ZEMAXファイ

ルで、これには光学問題が記述されています。"Zemax Output Directory"欄には、更新された ZEMAXフ

ァイルのフォルダを入力します。OOFELIEがオリジナルの ZEMAX problemのコピーを用い、ユーザー

が指定したフォルダにこのコピーを保存します。その理由は、光学の問題が更新されるためです。光学面と

して定義されたサーフェスは、ZEMAX problemにおけるサーフェスタイプの変更につながります。そのタ

イプは、"Assign the Analysis data"ステップにおいて選択されたタイプとなります。今回のケースでは、

ZEMAX problemで定義された初期の標準サーフェス(initial Standard surface)が、ゼルニケ標準サーフェ

ス(Zernike Standard on)に変換されたものとなります。

注記： "Solver Directory Path"フィールドは、自動的に入力されます。


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4. 「Static data」タブにて、take the default parameters for "Solver type"のデフォルトパラメータとして

(Linear)を選択し、"Activation of the Zemax Link" を有効にします。

"Exportation Hypothesis"欄にて、"Sag deviation"は "Surface Deviation"と呼ばれる結果と関連付けられ

ます。この出力条件 (exportation hypothesis)は、以下の式に従って、横方向の変位(transverse

displacements)を考慮します。

ここで、Zは、光軸方向に沿った節点座標(光学面の局所座標)です。ここでのモデルにおいては、光軸はグ

ローバル座標系の Z軸(OOFELIEと ZEMAXモデルの両方)と一致しています。

注記："Only Z component"の条件を選択した場合は、光軸に沿った変形のみが考慮されます(Zは光軸方向

となっています。)。"Sag deviation and Rigid Body motion" or "Only Z component and Rigid Body

motion"の選択により、剛体運動が ZEMAXに直接出力されます(傾き・偏心・表面厚さを再現して)。一

方、OOFELIEにおいて、剛体運動は、"Surface Deviation (see Phase 2)"と呼ばれる結果の表面の変形か

ら取り除かれます。

5. 「Oofelie data」タブをクリックします。

"Linear Solver Type"欄にて、「MUMPS」を選択します。

"Number of significative digits"欄にて、「12」を入力します。


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6. スタートしない場合、ZEMAXがスタートします。

7. Convert and launch button をクリックします。

ソルバモニタリングボックスが立ち上がります。それは、５つのパネルで構成されます。

Solver information frame：現在の実行のメインソルバの設定を表示します。

the Current Stage Progress bar：実行状況をパーセント表示します。

the main Stages Tree work-flow：一連のワークフローツリーでソルバの計算ステップを表示

the Values sub-window：計算において重要な値を表示する。

the Output window：ソルバの計算ログを表示する。.

「main sequential work-flow tree」にて、カラーの指標にて各ステップの状態が確認できます。

青：これから実行されるが、まだスタートしていないステップ

黄：実行中のステップ

緑 (またはグレーfor sub-level steps)：成功裏に完了したステップ

赤：エラーが起こったステップ

計算の終わりに、計算結果は自動的に"Results" moduleにインポートされます。新しく更新された ZEMAXファイ

ルは生成され、いくつかの重要な光学指標は、solver monitoring windowに表示されます。

"View the results"も参照してください。「solver monitoring box」と"Export Data and Launch Solver" dialogを閉

じてください。


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View the results：結果の確認

1. Result をクリックします。

結果を確認する時、データツリーの「Used data section」と「Mesh section」の全てを非表示にするのが

便利です。これらの項目を選択して、それらを非表示にするため、<H>キーを打ちます。opto-mechanical

analysisにおいてデフォルトで有効な結果は、データツリーにて選択することが出来ます。

これらのエンティティをクリックすることで、それに該当する結果のコンター図が表示されます。

2. 「Nodal Displacements」をクリック

上に示された結果を見るためには、表示画面から"top" viewを選択します。そして Criterion を

Scalarに設定します。


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3. Sag Correction (Z component)をクリックします。

Criterion を Scalar projection に設定し、Z方向を選択します。

"Sag Correction"は、ZEMAXで定義された表面サグ(surface sag)と OOFELIEのモデルの該当する表面と

の差を表しています。この結果は、光学面が OOFELIEで適切に作成されメッシュが切られていることを

確認するために用いられます。前述したように、ZEMAXからエクスポートされた CADファイルは、

OOFELIEモデルのミラーの部分の構築に用いられます。これらの二つのモデル間で、大変良い一致を実現

するには、最も簡単な方法です。特に、複雑な形状が含まれている場合に有効です。

4. Surface Deviation (Z component) の確認

Criterion を Scalar projection に設定し、Z方向を選択します。


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サグ修正(sag correction)と表面偏差(surface deviation)の両方とも、「criteria: scalar – scalar projection

on Z」にて、表示されます。Zは、光軸方向を意味します。たの２成分(X, Y)は、null値になります。

表面偏差(surface deviation)の意味は、"Calculating the results".のステップにて解説します。

これが ZEMAXにエクスポートされる光学面の変形です。構造解析の最後に、OOFELIEは、表面の変形

("Surface Deviation")をゼルニケ標準多項式(Zernike Standard polynomials)の線形結合に計算します。新

しい ZEMAXファイルは生成され、その中で Standard surface number 2がゼルニケ標準サーフェス

(Zernike Standard surface)に変更されます。計算されたゼルニケ係数(Zernike coefficients)は、ZEMAX

の"Extra Data Editor"に表示されます。

5. 表面の変形は、ZEMAXでも表示することができます。それには、表面サグ解析(Surface Sag analysis)を

選択します。ZEMAXで表面の変形(表面の全体的な変形ではない)を確認するためには、surface 2の半径

を無限大に変更し、表面サグ解析(Surface Sag analysis)を更新する必要があります。偽色による表示を以

下に示します。


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OOFELIEは、ZEMAXから以下の光学指標を取得します。それらは初期及び更新後の ZEMAXファイル

の値となります。

スポット・ダイアグラム解析の結果(results from the Spot Diagram analysis)

波面マップ解析の結果(results from the Wave Front Map analysis)

利得関数値(Merit Function values)

これらの値は、「Solver Output」ウインドウに以下のように表示されます。再度 solver monitoring box

を開くためには、solver moduleに入り、メニューバーから「Solver - Solver Monitoring」を選択します。


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Phase 2: 支持構造(holder)のひとつのパッドへの荷重とミラーの傾き挙動

これから構造的な負荷を 10 MPa の圧力を OOFELIEの構造モデルのひとつのフェイスに負荷します。このフェイ

スは、ミラーと支持構造(holder)の間の境界で、三つのパネルのうちの一つに位置しています。これは、傾いた動き

をするスクリューの挙動をシミュレーションします。

Modify the data：データの修正

1. Analysis Data module .に移動します。

2. データツリーにて、データの"Acceleration…"をクリックし、それから右クリックと「Ignore」を選択しま

す。このデータは、これ以上考慮されることはありません。

3. データツリーで「ParabolicMirror_Holder」を選択し、Load をクリックします。

"Load"にて、「Surface Force」を選択します。

"Amplitude" を 1.0E7 Paに設定し、－Z方向を選択します。

以下のようにフェイスを選択します。(<N> keyを用い、正しいフェイスの選択の補助をします。)

[Apply]と[Close]をクリックします。


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Re-compute and view the results：再計算と結果の確認

1. Solver module にクリックして入ります。

2. それから、Convert and Launch をクリックします。ソルバーの設定を変更しないの

で、Convert and Launch button をクリックします。

3. 一度、解析が完了したら、「solver monitoring box」と"Export Data and Launch Solver"ウインドウを閉

じます。

4. Result module へ移動します。

"Surface Deviation"の結果を選択し、以下のように「criteria scalar – scalar projection on Z」を選択しま

す。

ミラーの傾きが支配的な挙動であるこの結果を確認することができます。これが、OOFELIE – ZEMAX

間のエクスポート条件(exportation hypothesis)を変更する理由となります。


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Modify the OOFELIE – ZEMAX exportation hypothesis：OOFELIE – ZEMAXエクスポート条件の修正

1. をクリックし、Solver moduleに入ります。

2. Convert and Launch tool をクリックします。

3. Static data panelにて、"Sag deviation and Rigid Body motion" をエクスポート条件(Exportation

Hypothesis)として選択します。

4. Convert and Launch button をクリックします。

5. 解析が完了したら、solver monitoring box と"Export Data and Launch Solver"ウインドウを閉じます。

6. Result button をクリックし、then select the result "Surface Deviation" and the

「criteria scalar – scalar projection on Z」を選択すると、以下のように表示されます。


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ここで、剛体運動(並進と回転)が、ミラー・サーフェスの全体の変形から取り除かれます。そして、このサ

ーフェスの弾性変形のみを確認することが出来ます。もう一度、表面偏差"Surface Deviation"が、ゼルニ

ケ標準多項式(Zernike Standard polynomials)に分解されます。そして、ZEMAXにエクスポートされま

す。Standard surface number 2 は、ゼルニケ標準サーフェス(Zernike Standard surface)に変更され、計

算されたゼルニケ係数(Zernike coefficients)は、ZEMAX の"Extra Data Editor"に表示されます。ZEMAX

にて surface 2の変形を確認するためには、このサーフェスの半径を無限大にすることを忘れないでくださ

い。ZEMAXにおいて剛体運動を除外したミラー表面の変形を取得し、以下のように表示されます。

エクスポート条件("Sag deviation and Rigid Body motion")の選択により、OOFELIEは変形を、前回のエ

クスポート条件("Sag deviation")とは別の方法で ZEMAXへ出力します。ここで、剛体運動は、ZEMAXに

おける surface 1 と surface 2の厚さを更新し、傾きと偏心(tilt/decenter)を surface 2のために取得し、以

下のように表示されます。


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ELDC

"Sag deviation and Rigid Body motion"または"Sag deviation"のエクスポート条件により、剛体運動に関する以下

の情報が、OOFELIEの solver Output windowにて確認することができます。

回転角(単位：度)、回転軸の方向

ブライアント角(Bryant angles) (単位：度)

X, Y, Z軸に沿った移動距離(translations) (単位：メートル),

ミラーの頂点(mirror vertex)の最終的な位置(単位：メートル)

これらの値が以下のように表示されます。(solver monitoring boxを再度開くために、solver module に入り、メニ

ューバーの Solver をクリックし、Solver Monitoring を選択します。)


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Tutorial 2: Singlet Lens

シングレット・レンズ


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ELDC Tutorial 2: Singlet Lens

本チュートリアルでは、光学・熱・構造連成の検討をレンズについて行います。モデルには、支持構造や、熱負荷

が含まれます（線形静解析と過渡応答解析）。

はじめに、静解析を実施します。二つのモデルが含まれています。ひとつは、OOFELIEの構造モデルで、もう

ひとつは ZEMAXの光学モデルです。熱負荷を受けるレンズの構造変形と、変形を考慮した形状で ZEMAXにより

光学性能の低下を検討します。

2番目のフェーズでは、熱負荷が時間変化した時、同じモデルで過渡応答解析を行います。過渡応答解析のそれぞ

れのステップで、構造変形と光学性能の劣化を確認します。OOFELIEは、自動的に光学モデルを更新し、新しい

別の ZEMAXファイルを生成します。

前提条件

本チュートリアルは、以下の条件を前提としています。

OOFELIE UI の基本的な操作を習得していること。

ZEMAXのライセンスを有していること。

本チュートリアルでカバーしている内容

線形静的解析は、重力の影響を考慮し、以下の内容を示します。

光学要素を含む熱・構造問題の設定と ZEMAXとの連携をどのようにするか。

レンズと支持構造の接触部を、メカニカル・グルーイングとプレ・ストレスを用いてどのようにモデル化

するか。

温度の変化でレンズがどのように変形するか。

光学モデルの概要

レンズの ZEMAXシーケンシャルモデルは、以下に示す通りです。

ZEMAXのチュートリアル「How To Design a Singlet Lens」に関連しています。本モデルは改修され、セミ直径

(semi-diameters)が 12.7 mm、surface 1は 11 mmの厚さとなっています。最適化（spot RMS sizeの最小化）は、

再度実施されています。レンズのフロント・サーフェス、surface 1は、the stopと系が参照する全体座標系を定義

します。Entrance pupil diameterは、20mmに設定されています。

なお、ZEMAXモデルは予め用意されています。OOFELIEのインストールフォルダの下にある「examples」フォ

ルダにはいっています。

{installation-directory}/examples/sfield/Optics/ then copy the file "SingletLens.zmx".


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参考情報：ジオメトリモデルは、ZEMAXで生成されています。「Tools -> Export Data -> Export

IGES/STEP/SAT/STL Solid」機能が用いられています。（surface 1と surface 2を、option Surfaceを solidとして

step形式で出力）

ZEMAXから OOFELIEにエクスポートするとき、複雑な形状に対して Step形式を推奨します。

ZEMAX オプション

再解析の間、OOFELIEは ZEMAXに接続します。接続は DDE Windowsメカニズムによりなされます。

OOFELIEが ZEMAXにリクエストして光学問題を解析するには、ZEMAXの"Allow Extensions To Push Lenses"

オプションを有効にしなければなりません。このオプションは、ZEMAXの Preferencesで設定します。


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ELDC OOFELIEは、ZEMAXの最新バージョンに対応しています。2010年 10月 26 日にリリースされたバージョンの

ZEMAXから、解析機能からのテキスト形式の出力は、ANSI(ASCII)または Unicodeです。Unicodeがデフォルト

です。プロセス実行中の ZEMAXからの光学指標の検索のため、ANSIフォーマットが必要です。このオプション

は、ZEMAXの Preferenceで設定します(TXT File Encoding fieldで ANSIを選択)。


32 ELDC


ELDC Phase 1: Static analysis：静解析

Starting up

1. OOFELIEを起動

2. Solver Driver Settings ダイアログで、以下のオプションを設定

3. [OK]をクリック

4. Multiphysic Problem Configuration ダイアログが表示

「Zemax Connection」をチェックし、「ThermoMechanic」オプションを ONにします。

[OK]をクリック


33 ELDC


ELDC Modeler：モデラー

1. Modelerモジュールに移動します。全てのジオメトリモデリングを行います。

本検討では、予め定義したジオメトリモデルをインポートします。

2. 「File - Import geometry.」を選択

「Import」ダイアログで、Exapmleアイコンをクリック

「step」フォルダをクリックし、「Optics」フォルダをクリック

「SingletLens.STP」ファイルを選択し、「Open」をクリック

モデルはインポートされ、3D 画面とデータツリーに表示されます。

3. インポート完了後、ジオメトリを修復

データツリーの「SingletLens」を選択。右クリックで、メニューから「Shape Repair Mode - Shape

Healing」を選択します。

「Shape healing」ダイアログで、「Split Continuity」を選択し、右矢印をクリックし、「Operations to

execute」リストに移動します。

[OK]をクリックします。


34 ELDC


ELDC

4. モデルの支持構造のパートをインポートします。

「File - Import geometry」を選択

「Import」ダイアログで、「Examples」アイコンをクリックします。

「brep」フォルダをクリックし、「Optics」フォルダをクリック

「LensHolder.brep」ファイルを選択し、「Open」をクリック

モデルはインポートされ、3D 画面とデータツリーに表示されます。

5. メニューバーから「File - Save」を選択し、名前(e.g. Singlet-Lens-Tutorial.sfield)をつけてドキュメントを保

存します。


35 ELDC


ELDC Assign the analysis data：解析条件の設定

1. Click on Analysis data .

2. データツリーから"SingletLens"と"LensHolder"を選択し、Behavior をクリック

"Behavior"として、Volume.を選択。

"Placed on"フィールドで、SOLID.を選択

レンズと支持構造に該当する５個のソリッドを選択します。モデルの周辺をマウスでドラッグしてボックス選

択することで、全てのソリッドを一度に選択できます。

[Apply]をクリックし、[Close].します。

3. レンズ表面(ZEMAX model の surface 1と surface 2)に該当するフェースに光学挙動を定義します。

データツリーの SingletLensを選択し、Behavior .をクリック

Behavior typeとして、Sequential Lens.を選択


36 ELDC


ELDC

「Sequential Lens Type」として「Zernike Standard Sag」を選択します。これにより、OOFELIEは、サー

フェスの変形を、ゼルニケ標準多項式の線形結合に変換します。

「Aperture」として「Circular」を選択します。

「Lens Order」として「1」を選択します。

縮約に用いるため、ゼルニケ多項式の数として「Nb polynoms」を設定します。この数字は、「1-231」の間の

数字でなければなりません。デフォルト値は、28です。ここでは、100の多項式を選択します。

「Placed on」フィールドが「FACE」を選択されていることを確認し、Z=0の平面内にその頂点があるフェー

スを選択します（下図参照）。下図のスクリーンショットは、支持構造は非表示となっています。

[Apply].をクリック

4. このプロセスを繰り返します。「Lens Order」を２に設定し、以下のようにレンズのもう一方のフェースを選択

します。

OOFELIEは、ZEMAX内部の定義により、標準か非球面か、ZEMAXの該当するサーフェスをチェックしま

す。これらのサーフェスタイプのみがゼルニケ・サーフェスに変換されます。


37 ELDC


ELDC

5. 材料特性を設定します。「Glass BK7」がレンズに、アルミが支持構造に、鉄がネジに用いられます。

データツリーから「SingletLens」を選択し、Material をクリックします。

「Material」ダイアログボックスで、材料特性として「Thermoelastic」を選択します。

名前として「BK7」を設定します。

数値は以下のように入力します。

「Placed on」オプションとして、"Solid".を選択します。

レンズに該当するソリッドを以下のように選択します。

[Apply].をクリックします。


38 ELDC


ELDC

6. With LensHolder selected in the data tree, click on Material .


名前として「Alu」を設定します。


支持構造に該当する２個のソリッドを選択します。（スクリューは除外）

[Apply]と[Close]をクリック.


39 ELDC


ELDC

7. With LensHolder selected in the data tree, click on Material .


名前として「Stainless_Steel」を設定します。


スクリューに該当する２個のソリッドを選択します。



40 ELDC


ELDC

8. 境界条件を設定

レンズ支持構造をデータツリーから選択し、Constraint .を選択

"Constraint"として Clamp.を選択

"Placed on" オプションでWIRE を選択し、以下のように４つのワイヤーを選択

[Apply]をクリックし、[Close].

9. モデル全体が 20℃から 100℃に温度が上昇する熱拘束条件を考慮

「SingletLens」と「LensHolder」を選択し、Constraint .をクリック

"Constraint"として、"Prescribed Temperature". を選択

"Temperature" を 100 deg.C.に設定

"Placed on"フィールドにおいて、"SOLID"を選択し、全てのソリッドを選択



41 ELDC


ELDC

10. アッセンブリを定義（レンズとスクリューのメカニカル・グルーイング）

「SingletLens」と「LensHolder」をデータツリーから選択し、Assembly .をクリック

"Assembly"として Mechanical Gluing を選択し、「Gluing Type」を「Perfect.」に設定

「more」ボタンをクリックし、Advanced Boxにアクセス。「Maximum Distance to Patch」オプションをク

リックし、2 mmの値を適用し、「OK」をクリック

「Support 1」をダイアログボックスでチェックし、データツリーで「LensHolder」のみを選択し、「FACE」

を選択。3Dディスプレイで、レンズと接するスクリューのフェースのひとつを選択。（Nキーを用いると、正

しいフェースを選択しやすくなります。）このフェースがメカニカル・グルーイングを適用するために必須なの

で、「Support 1」と定義します。

次に「Support 2」をダイアログボックスでチェックし、データツリーで「SingletLens」のみを選択し、

「FACE」を選択。3Dディスプレイで、スクリューと接するレンズの外側の円状のフェースを選択。下図の半

透明のシェーディング部分を参照

インスタンスのアッセンブリの名前を入力「Mechanical_Gluing_1」

[Apply]をクリックし[Close].

二つ目のスクリューについて、同じ手順を繰り返します。この名前を「Mechanical_Gluing_2」とします。


42 ELDC


ELDC

11. 熱的コンタクトの追加

上記で定義された構造アッセンブリに熱的コンタクトを追加することでモデルは完成します。これを行うため

には、「Assembly」でメカニカル・グルーイングと同様の点順で熱的グルーイングの設定を行います。

12. スクリューのプリ・ストレスの設定

ホルダーにレンズを保持するためにスクリューにプリ・ストレスを設定します。圧縮のプリ・ストレスとし

て、Y方向に 1 MPaを与えます。

データツリーから「LensHolder」を選択し、Load .をクリック

"Load"として "Prestress".を選択

「Prestress along Y」をチェックし、"Value"に「-1e6 Pa」を入力

(すでに拘束条件を与えたので"Dependency"と"Abscissa Type"は考慮する必要はない。).

スクリューに該当する２つのソリッドを選択

[Apply]と[Close]をクリック

解析データの定義は完了し、Data treeの Used Dataセクションは以下のようになります。


43 ELDC


ELDC Mesh the model：モデルのメッシュ生成

1. Mesh Module data . をクリック

このモジュールでは、解析条件を定義したジオメトリにを、空間的に離散化しメッシュを生成します。ここで

は、平均要素長が 1.5 mmの四辺形メッシュを用います。

2. データツリーから、SingletLens と LensHolderを選択し、Length をクリック

Average lengthダイアログで、"Average Mesh Size"に「1.5 mm」と入力します。


3. With the SingletLens and LensHolder selected in the data tree, click on Element Type .

"Shape"として、 select tetrahedron.を選択

"Order"として、 select parabolic. を選択

"Method"として、 select Automatic Choice. を選択


4. SingletLens と LensHolder を選択した状態で、Generate . をクリック

デフォルトの設定にて良ければ、[Apply]をクリック

メッシュが生成され、データツリーの Meshセクションに以下のように表示されます。

ここで、メッシュが生成されましたので、解析が実行できます。もし、ライセンスが無い場合は、ソルバを実

行できません。この場合、結果を含む OOFELIEファイルを例題フォルダから開きます。

1. メニューバーから「File - Open 」を選択

2. Examples icon . をクリック

3. "sfield"を選択し、"Optics" を選択し、"SingletLens.sfield"ファイルを選択。同じフォルダに更新され

た ZEMAX ファイルもあります。

4. "SingletLensUpdatedFromStep1.zmx".をコピーします。

5. 引き続き、結果の確認を行います。


44 ELDC


ELDC Run the calculations

1. Multiphysical Analysisか Advanced Optics ライセンスがある場合、Solver module . をク

リック

2. Settings tool . をクリック

3. 「Files & Memory 」タブをクリック

"Zemax Input File"フィールドに、解析の対象となる既存の ZEMAXファイルを入力します。

"Zemax Output Directory”フィールドに、更新された ZEMAXファイルを保存するフォルダを入力します。

OOFELIEは、オリジナルの ZEMAXファイルのコピーを用い、このコピーを規定したフォルダに保存しま

す。光学問題が更新されるためです。光学面として定義されたサーフェスは、ZEMAXのモデルでサーフェス

タイプの変化として導かれます。そのタイプは、"Assign the analysis data"ステップの間に選択されたタイプ

です。この場合、ZEMAXのモデルで定義された初期の標準サーフェスは、ゼルニケ標準サーフェスに変換さ

れます。

なお、"Solver Directory Path"は、自動的に入力されます。


45 ELDC


ELDC

4. 「Static data 」パネルにて、以下のパラメータを設定します。

"Solver Type"フィールドは「Non Linear」を選択。線形解析を実行しますが、スクリューにプリ・ストレスを

付与するので、OOFELIEは Non Linearソルバを用います。

"Newton max iteration number" と"Newton convergence precision"は、デフォルト値を用います。

"Reference temperature"は、20℃とします。これは、20℃から 100℃の温度上昇を考慮するためです。

"Exportation Hypothesis"フィールドで、"Sag deviation"を選択。"Surface Deviation"と呼ばれる結果と関連

付けるためです。"Sag deviation"の出力仮説や他の仮説の説明は、Tutorial 1「Opto-mechanical study of a

Parabolic Mirror.」を参照のこと。

5. Oofelie data タブをクリックします。

"Linear Solver Type"フィールドで、MUMPS.を選択します。

"Number of significative digits"は、15.を入力します。

[Apply].をクリック


46 ELDC


ELDC

6. ファイルを保存します。ZEMAXを起動していない場合は、立ち上げます。

7. 「Convert and launch」ツールをクリックし、Convert and launch button .をクリックします。

ソルバ・モニタリング・ボックスが立ち上がります。

計算の終了時、計算された結果は「Results」モジュールに自動的にインポートされ、新しい更新された

ZEMAXファイルが生成され、いくつかの重要な光学指標はソルバ・モニタリング・ボックスに表示されま

す。ソルバ・モニタリング・ボックスと"Export Data and Launch Solver"ダイアログを閉じます。


47 ELDC


ELDC View the results：結果の確認

1. Result .をクリック

結果を表示するとき、データツリーの Used dataセクションと Meshセクションの全てのアイテムを非表示と

することを推奨します。これらのアイテムを選択し、<H>キーを押すと非表示となります。

2. Nodal Displacements をクリックし、Criterion を Scalar.に設定します。

上記結果をみると、加熱による膨張の影響を確認できます。熱膨張係数は、BK7ガラスより、アルミの方が高

くなっています。レンズの変形は、この結果より可視化されました。

3. Selection button . をクリック

Selectionボックスで、Local selectionをチェックし、SOLIDを選択し、3Dディスプレイでレンズのソリッド

を選択します。Color Scaleボックスで、Selectionをチェックします。以下の図のように、レンズのみの変形

量を確認することができます。


48 ELDC


ELDC 4. “Surface Deviation”をデータツリーから選択し、criteriaを Scalar projection on Zに設定

表面偏差(Surface Deviation)を可視化時、Zは光学軸の方向を意味します。この定義は、すでに Tutorial 1で

も説明したように、このモデルにおいて曖昧にしてはいけません。両方の光学サーフェスの光学軸は、グロー

バル座標系の Z軸となっています。

下図は、レンズの前方のフェイス(ZEMAXモデルの surface 1)の結果です。膨張の効果を確認できます。

5. 下図は、レンズの背面のフェース(ZEMAXモデルの surface 2)の結果です。


49 ELDC


ELDC

構造応答の計算が終わった時点で、OOFELIEは二つのサーフェスの変形(i.e. Surface Deviations)を計算し、

ゼルニケ標準多項式の線形結合に縮約します。それから、OOFELIEは、これらの結果を ZEMAXにエクスポ

ートします。新しい ZEMAXファイルが生成され、その中の標準サーフェス１と２は、ゼルニケ標準サーフェ

スに変更されます。計算されたゼルニケ係数は、ZEMAXの”Extra Data Editor”に格納されます。

レンズの設計は、3 angular fieldsのサイズを最小化するように最適化されてきました。3 angular fieldsに該

当するスポット・ダイアグラムを以下に示します。更新された ZEMAXモデルのこれらの結果は、初期のモデ

ルの結果（Optical model description参照）と比較します。


50 ELDC


ELDC Phase 2 Transient analysis：過渡応答解析

同じ構造と光学モデルを用い、熱負荷が時間により変化する場合の過渡応答解析を行います。

Update the data：データの更新

1. 静解析のファイルをコピーし、名前を付けて保存。（例： LensTutorial_transient.sfield）

2. Solverモジュールで、Multiphysic Problem Configuration button .をクリック

3. ダイアログボックスで、「Transient Analysis」を選択（下図参照）

4. 三つの熱弾性材料(Thermo-elastic material)、BK7、Alu、Stainless_Steelが更新されています。Analysis

Data Moduleで、BK7のデータを編集します。Heat capacityの値を以下のように設定します。

5. 同様に、Aluの値は 2.4219e6、Stainless_Steelの値は 3.51e6.とします。


51 ELDC


ELDC

6. 拘束条件”Prescribed Temperature”を編集します。ダイアログボックスで、”Edit”ボタンをクリッ

ク。”Function by Points Editor”ボックスで、timeと temperatureの値を以下のように入力します。


52 ELDC


ELDC Re-run the calculations：再計算

1. Solverモジュールで、Convert and Launchツールを選択

2. ダイアログボックスの Transient dataタブで、３つのデータを以下のように入力し、Convert and Launchボ

タンをクリック

時間 0で始まり３秒後に停止する 20℃から 100℃への温度変化をみます。Simulation time interval (シミュレ

ーション時間間隔)を３秒とし、Integration time step(積分時間ステップ)を１秒とします。この過渡応答解析

は４ステップ（0s 1s 2s 3s）で行います。各ステップの過渡応答解析は、OOFELIEは、光学モデルを自動的

に更新し、新たに別々の ZEMAXファイルを生成します。最初のステップ(t=0 sec)では、変形しないので、光

学モデルも初期のものと同じになります。

Solver monitoringボックスの Solver outputウインドウにおいて、OOFELIEが ZEMAXから取り出したいく

つかの光学指標が表示されます。これらの結果は、初期の ZEMAXモデルと関連付けられ、他の更新された

ZEMAXファイルにも関連付けられます。これらのデータは、以下の通りです。

Spot Diagram解析からの結果

Wave Front Map解析からの結果

Merit Function values.

Solver monitoringボックスを閉じていたら、再び開いて下さい。Solverモジュールで、メニューバーから

Solverをクリックし、Solver Monitoringを選択すると、異なる光学指標が表示されます。

ウェーブ・フロント・マップの Peak to Valley（頂上と谷底）の値が以下のように表示されます。初期モデル

の値は number 0、各積分ステップについて１づつ増えています。


53 ELDC


ELDC

Resultモジュールで、Referenceツールを用いて各積分ステップの結果を表示できます。データツリーから選

択された結果について、Reference tool をクリックし、表示したいタイムステップを選択します。以下の例

は、レンズの前面フェースの表面偏差(Surface Deviation)です。


54 ELDC


ELDC

Tutorial 3: Deformable mirror with piezoelectric actuators

圧電体のアクチュエータによる可変ミラー


55 ELDC


ELDC Tutorial 3: Deformable mirror with piezoelectric actuators

This tutorial presents the model of a deformable mirror with piezoelectric actuators such as those used in many

fields of optics science (telescopes, medical imagery, laser applications, ...). The linear static analysis presented

here combines piezoelectric effects and optical behavior. The model of the deformable mirror is a very simple one

and involves a restricted number of actuators. By applying given electric potentials to the actuators, the

deformations of the mirror are related to different optical aberrations: defocus, astigmatism and spherical

aberration. So this deformable mirror, which is a plane mirror for null potentials, allows the correction of these

aberrations.

The bimorph deformable mirror studied in this tutorial is presented below. It is composed of a plane mirror with

a circular aperture, whose substrate thickness is 2.5 mm, a cylindrical base and 9 piezoelectric actuators. One of

the actuators is placed below the mirror substrate and covers the whole mirror surface (even a bit more). The

other actuators are placed below the global one and form an annular ring. All the actuators are PZT4

piezoelectric films with a thickness of 0.35 mm.

This tutorial is also available in printable (pdf) format which contains more screen shots.

Prerequisites

In order to be able to perform the operations described,

This tutorial assumes some basic experience with Samcef Field.

It requires a full license of Zemax-EE.

The topics covered in this tutorial are:

This linear static analysis considers the piezoelectric actuation of a mirror and shows:

how to set up a piezoelectric problem with an optical entity and a ZEMAX connection,

how the mirror deforms due to piezoelectric effects,

how to generate specific optical aberrations with the deformable mirror.

Optical model description

The ZEMAX sequential model of the mirror is given below.

The mirror surface, surface 2, is the stop and the global coordinate reference of the system. The entrance pupil

diameter is 39 mm (equal to the mirror diameter) and the option "Afocal Image Space" is checked. The light rays

are parallel to the optical axis (Z axis) and a wavelength of 0.633 µm is used.

If you do not want to create the ZEMAX model, you will find it in the examples directory of SAMCEF Field.

1. Go to {installation-directory}/examples/sfield/Optics/

2. Copy the file "DeformableMirror.zmx".


56 ELDC


ELDC

ZEMAX options

During the resolution, OOFELIE connects to ZEMAX by means of the DDE Windows mechanism. So, it is

supposed that ZEMAX is started.

As OOFELIE will request ZEMAX to launch an optical problem specified by the user, the "Allow Extensions To

Push Lenses" option of ZEMAX must be activated. This option is set in the preferences of ZEMAX.

OOFELIE is compatible with the latest releases of ZEMAX. From the version of ZEMAX released on 26th

October 2010, the text output from analysis features is either in ANSI (ASCII) or Unicode format, with Unicode

as default. In order to retrieve optical indicators from ZEMAX during the process, the ANSI format is required.

This option is set in the preferences of ZEMAX (in the TXT File Encoding field, select ANSI).


57 ELDC


ELDC Analysis of the deformable mirror

Starting up

1. Start the SAMCEF Field software.

2. In the Solver Driver Settings dialog, set the following options.

3. Click [OK].

4. The Multiphysic Problem Configuration dialog will appear.

Check the Zemax Connection and the PiezoElectric option ON.

Click [OK].


58 ELDC


ELDC Import the model

1. Make sure you are in the Modeler module where all the geometric modeling is

performed in SAMCEF Field.

In this study, we will import a previously defined geometric model.

2. Select File - Import geometry.

In the Import dialog click on the Examples icon .

Click on the "brep" folder, then click on the "Optics" folder.

Select the file "DeformableMirror.brep" and click [Open].

The model is imported and appears in the 3D display and the data tree.

3. Save the document by selecting File - Save from the menu bar and defining a name (e.g.

DeformableMirror.sfield).

We will now specify the data that will define the problem.

Assign the analysis data


2. With "DeformableMirror" selected in the data tree, click on Behavior .

As "Behavior" select Volume.

In the "Placed on" field, select SOLID.

Select the 2 solids corresponding to the mirror substrate and the cylindrical base.

Click [Apply].


59 ELDC


ELDC 3. Now select Oriented Volume as "Behavior" type.

Set the "Type of Orientation" to Transverse Isotropic and the direction to Z.

Select the 9 solids corresponding to the actuators, as shown below. The easiest way to do the selection is to

select first all the solids of the model by defining a bounding box with your mouse. Then, with the <Shift> key

pressed, click on the solids to be deselected: the mirror substrate and the cylindrical base.

Click [Apply] then [Close].

4. We are now going to assign the material properties. Glass will be used for the mirror and the base. The

piezoelectric material PZT4 will be used for the actuators. These materials will be imported from the

data library.

From the menu bar select File - Import Data.

In the Import Data dialog, click on the example directory icon

Click on the "DataLibrary" folder, then click on the "Materials" folder

Select "Glass.sfmaterial" and click [Import].

Then repeat the procedure to import the PZT4.sfmaterial.

The two materials will appear in the data library section in the data tree.

5. With DeformableMirror selected in the data tree, click on Material .

In the Used Data Material box as Material type select Elastic.

Click on the Fetch button .

Select "Glass" in the Fetch Data dialog, then [Close].

Select the 2 solids corresponding to the mirror substrate and the cylindrical base.


60 ELDC


ELDC

Click [Apply].

6. Now select Piezoelectric as Material type.

Click on the Fetch button and select PZT4, then [Close].

Select the 9 solids corresponding to the actuators as described above.


61 ELDC


ELDC


7. We are now going to apply the boundary conditions for the analysis.

With the DeformableMirror selected in the data tree, click on Constraint .

As "Constraint" select Clamp.

As "Placed on" option select FACE and select the face on the bottom of the base, as shown below.

Click [Apply].

8. Now, we are going to define the electric potential of the ground electrode which is the common electrode

for all the actuators.

Change the Constraint to "Prescribed Potential".

Enter the name "Ground Electrode".

Leave the default value of 0 V.

Make sure that in the "Placed on" field the option "FACE" is selected and select the faces which are in the plane

Z = -2.85 mm i.e. the 9 faces which are between the global actuator and the 8 other actuators, plus the 2 faces

which are between the global actuator and the cylindrical base.


62 ELDC


ELDC

Click [Apply].

9. Let us now define the electric potential of the global actuator. As one of the electrodes of this actuator is

already defined (ground electrode), we just have to define the electric potential to be applied to the

other electrode. For the moment, the default voltage value of 0 V is kept.

Enter the name "Global Actuator".

Select the 2 faces which are in the plane Z = -2.5 mm i.e. the 2 faces which are below the mirror substrate (do

not forget the annular face around the mirror substrate).

Click [Apply]

10. Now, we are going to define the electric potentials of the 8 other actuators. The voltage values will be

set later (see sections "Run the results" and "View the results").

So for the moment the default voltage value of 0 V is kept for each actuator. The 8 faces to be selected

successively are in the plane Z = -3.2 mm.

Enter the name "Actuator 1"

Leave the default value of 0 V.


63 ELDC


ELDC Make sure that in the "Placed on" field the option "FACE" is selected and select the face shown below.

Click [Apply].

11. Continue with defining the constraints on each of the 8 actuators, selecting each in a clockwise

direction and entering the appropriate name.

12. You can make sure you have selected the right faces by right-clicking on the corresponding data in the

data tree and selecting the option Edit Support. For the example of the "Ground Electrode", in the

Support Edition window, you can see the 11 selected faces, as shown below. You can also review them

one by one by clicking on each of them. If a wrong face has been selected, replace it by the right one

using the option Replace.


64 ELDC


ELDC

13. We can now terminate the analysis data assignation by defining the optical behavior of the mirror.

With DeformableMirror selected in the data tree, click on Behavior.

As "Behavior" type, select "Sequential Mirror".

As "Sequential Lens Type", select Zernike Standard Sag. This will request OOFELIE to translate the surface

deformation into a linear combination of Zernike Standard polynomials.

As "Aperture", select Circular.

As "Lens Order", select 2. This value corresponds to the mirror surface number in the ZEMAX problem.

Set "Nb polynoms" to the number of Zernike polynomials to be used in the decomposition. This number must be

in the range [1-231]. The default value is 28. Here we choose 100 polynomials

Make sure that in the "Placed on" field the option "FACE" is selected and select the face defining the mirror, as

shown below.


OOFELIE will check that the corresponding surface inside ZEMAX is either a Standard or an Even Aspheric

Surface as, by definition inside ZEMAX, only these types of surface can be converted into a Zernike surface.


65 ELDC


ELDC

The definition of the analysis data is now completed and the Used Data section of the Data tree should look like

that shown below:


66 ELDC


ELDC Mesh the model

1. We will now mesh the model. Click on the Mesh Module data .

We will use a quadratic mesh with an average length of 1.25 mm, except for the cylindrical base for which we

will apply an average length constraint of 2.5 mm.

2. With DeformableMirror selected in the data tree, click on Length .

In the Average length dialog, enter a value of 1.25mm for the "Average Mesh Size".

In the "Objects Selected" field, select "SOLID".

Select all the solids except the one corresponding to the cylindrical base.

Click [Apply].

3. Now click on the solid that corresponds to the cylindrical base.

Enter a value of 2.5 mm for the "Average Mesh Size".


4. With the DeformableMirror selected in the data tree, click on Element Type .

As "Shape" select tetrahedron.

As "Order" select parabolic.

As "Method" select Delaunay-Voronoi.


67 ELDC


ELDC


5. With the DeformableMirror still selected, click on Generate .

You can accept all the default settings and click on [Apply].

The mesh will be generated.

Now that the mesh is created, the calculations can be done. If you are using the demo license you will not be

able to run the solver. In this case you should open the complete SAMCEF Field document that contains the

results from the examples directory.

Select File - Open from the menu bar.

Click on the Examples icon .

Select "sfield" then "Optics" then the file "DeformableMirror.sfield". In the same directory, you will find

the ZEMAX updated file:

Copy the file "DeformableMirrorUpdatedFromStep1.zmx".

Continue by Viewing the results.


68 ELDC



1. If you have a full license to a Multiphysical Analysis, click on the Solver module .

2. Click on the Settings tool .

3. Click on the Files & Memory tab.

In the "Zemax Input File" field, enter the location of the ZEMAX problem. This is the existing ZEMAX file that

contains the description of the optical problem.

In the "Zemax Output Directory" field, enter the directory where the updated ZEMAX file will be stored.

OOFELIE will use a copy of the original ZEMAX problem and save this copy in the user specified directory. The

reason is that the optical problem will be modified. Surfaces, defined as optical ones, will lead to a change of

surface type in the ZEMAX problem. The type will be the type selected during the step "Assign the analysis

data". In this case, the initial Standard surface defined in the ZEMAX problem will be transformed into a

Zernike Standard one.

Note that the field "Solver Directory Path" is automatically filled in.

4. In the Static data panel, set the following parameters.


69 ELDC


ELDC

As "Solver Type" select Linear.

As "Exportation Hypothesis" field, select "Sag deviation". This is related to the result called "Surface Deviation".

For an explanation about the exportation hypothesis "Sag deviation" and other possible hypotheses, see

"Tutorial 1: Opto-mechanical study of a Parabolic Mirror".

5. Click on the Oofelie data tab.

For the "Linear Solver Type" field, select MUMPS.

For the "Number of significative digits" enter 15.


6. Click on the Archives tool . In the Result Selection window, you can select the desired results.

Here we are going to remove the results "Nodal rotation" and "Total Electric Charge" from the

Requested Result list by use of the arrow. Once this operation has been done, the requested results are

those shown below in the right hand list.


70 ELDC


ELDC

7. Now, just before starting the computations, we are going to apply a voltage of 200 V to the actuator 1

(and let null voltages for all others actuators). This first calculation will show the response of the

concerned actuator.

8. Go back to the Analysis Data module .

Double click on the analysis data "Actuator 1" in the data tree.

Set the voltage value to 200 V, then press the <Enter> key.

Click [OK].

9. Save your sfield document and, if it is not started, start the ZEMAX software.

10. Return to the Solver module .

Click on the Convert and Launch tool and then click on the Convert and launch button . The

solver monitoring box will open.

At the end of the computations, the computed results are imported automatically in the "Results" module of

SAMCEF Field, a new updated ZEMAX file is created and some important optical indicators are visible in the

solver monitoring box. See section "View the results". Close the solver monitoring box and the "Export Data and

Launch Solver" dialog.


71 ELDC


ELDC View the results

1. Click on Result .

When viewing results, it is advantageous to hide all the items in the Used data section and the Mesh section of

the data tree. Select these items, then hit the <H> key to hide them.

2. Click on Nodal Displacements and set the Criteria to Scalar Magnitude.

The deformation here above is strongly amplified. To observe the deformed model, use the Deformed tool .

To amplify the deformation: select Results – Result Display Attribute – Deformed Amplification from the menu.

3. Now we are going to examine the deformation of the optical surface (i.e. the surface of the mirror).

Select the result Surface Deviation with criteria Scalar – Scalar projection on Z (see "Tutorial 1: Opto-

mechanical study of a Parabolic Mirror " for explanation about how Oofelie computes the Surface

Deviation when choosing the exportation hypothesis "Sag Deviation" as we did in this study). The

result is shown below. It shows the deformation of the mirror surface when one of the 8 annular

actuators acts on the mirror substrate (A voltage of 200 V has been applied on the actuator 1.)


72 ELDC


ELDC

At the end of the computation of the structural response, OOFELIE computes the deformation of the mirror

surface (i.e. the Surface Deviation), decomposes it into a linear combination of Zernike Standard polynomials

and exports the deformation to ZEMAX. A new ZEMAX file is created in which the Standard surface number 2

is changed to a Zernike Standard surface. In this new updated ZEMAX file, the deformation of the mirror

surface can also be displayed, selecting the Surface Sag analysis and the surface 2 of the ZEMAX model. The

display in false color is shown below:


73 ELDC


ELDC

Now, we are going to modify the electric potential constraints in order to generate the defocus aberration. We

are going to apply a voltage of 200 V to actuators 1 to 8 (and leave a null voltage for the global actuator).

Note that for generating defocus, the global actuator could be used instead of actuators 1 to 8.


74 ELDC


ELDC Assign new data to generate the defocus aberration

1. Return to the Analysis Data module .

Double click on the analysis data "Actuator 2" in the data tree.

Set the voltage value to 200 V.

Press the Enter key and then click [OK].

2. Repeat for Actuators 3 to 8.

3. Return to the Solver module .

Launch the computations again.

The updated ZEMAX model is shown below. The computed Zernike Standard coefficients are placed in the

"Extra Data Editor" of ZEMAX.

Here above we see that the surface sag and the wavefront map look like defocus. To be sure it is defocus, we can

look at the wavefront Zernike Standard coefficients. The 30 first coefficients (in wave unit) are shown below.

The defocus coefficient is Z4 and is of about 1 wave. The primary spherical aberration is also present (see Z11)

but is only of 0.2 wave.


75 ELDC


ELDC

Now, let us generate the astigmatism aberration by modifying again the voltages applied to the actuators.


76 ELDC


ELDC Investigate the astigmatism aberration

1. Go to the Analysis Data module.

Double click on each of the actuators in turn. Apply voltages of +200 V to actuators 1 and 5; -200 V to actuators

3 and 7; 0 V to all other actuators.

2. Return to the Solver module and launch the computations.

3. Go to the Result module to see the results.

Click on the Electric potential result to check the applied voltages are correct, as we can see below.

4. Now select the Surface Deviation result with criteria Scalar – Scalar projection on Z. To have a more

realistic view, right-click on this result in the data tree, select Result Aspect, then select Tone. The color

map will appear as shown below.


77 ELDC


ELDC

5. We retrieve this surface deformation in the updated ZEMAX model:

The 30 first Zernike Standard coefficients corresponding to the wavefront are given in wave unit here below.

There is a combination of primary astigmatism (see Z5 and Z6) and secondary astigmatism (see Z12 and Z13)

but the former prevails.


78 ELDC


ELDC

Note that there is a combination of astigmatism -0° and astigmatism -45°, in relation with the axes orientation.

A rotation of the model of 22.5° around the Z axis will enable the generation of only astigmatism-0° or only

astigmatism-45°. Doing this is very simple.

Rotate the model and update the results

1. In the Modeler module, right-click of DeformableMirror in the data tree, and select Move.

In the Rotate panel, apply a RZ rotation of 22.5°.

When leaving the Modeler module, a warning dialog tells you that the geometry has been changed and that an

update is needed.

Click [OK], then, in the Update Data window, just click [Update]. The used data, mesh constraints and mesh

model are automatically updated.

2. In the Solver module, click on the Convert and Launch tool, then click on the button to start the

computations.

We can now see in ZEMAX the astigmatism at 45°:


79 ELDC


ELDC

3. We can generate astigmatism at 0°, by applying voltages of +200V to actuators 2 and 6; -200V to

actuators 4 and 8 and 0V to all other actuators. The result in ZEMAX is shown below:


80 ELDC


ELDC

4. Finally, let us observe the spherical aberration which is generated by applying a voltage of +200 V to

actuators 1 to 8 and a voltage of -100 V to the global actuator. As we can see below, there is a

combination of primary spherical aberration (see Z11 coefficient) and secondary spherical aberration

(see Z22 coefficient) but the former prevails.


81 ELDC


ELDC 5. Since defocus is also present in the deformation, we can remove it by setting the 4th Zernike coefficient

in the Extra Data Editor to 0. Then the wavefront map looks like the typical spherical aberration one.

This shows that all other aberrations are negligible.


82 ELDC


ELDC

Tutorial 4: Chaining OOFELIE – ZEMAX


83 ELDC


ELDC Tutorial 4: Chaining SAMCEF – OOFELIE – ZEMAX

This tutorial presents the chaining SAMCEF – OOFELIE – ZEMAX i.e. the possibility to import the nodal

displacements computed by a SAMCEF solver and use OOFELIE to update the optical ZEMAX model. Three

solvers of the SAMCEF family can be used: Linear Static analyses (ASEF), Linear Transient Response analyses

(DYNAM) and Implicit Non Linear static or transient analyses (MECANO). Here we will focus on a Linear

Static analysis(ASEF), but explanations will be given for using the two other solvers.

We will start with the same structural model and the same optical model as was used in "Tutorial 1: Opto-

mechanical study of a Parabolic Mirror ", so it is advisable to do Tutorial 1 before doing this one.

The same opto-mechanical study of the parabolic mirror (linear static analysis) as in Tutorial 1 will be done: we

will examine the deformation of the mirror due to gravity and its effect on the optical performances in the

updated ZEMAX optical model. The difference with Tutorial 1 is that the solver ASEF will be used instead of

OOFELIE.

in Phase 1 we will consider the mechanical problem in SAMCEF Field by use of the SAMCEF solver ASEF.

In Phase 2 we will explain how to chain SAMCEF – OOFELIE – ZEMAX. The optical model and its updating by

OOFELIE will be considered.

This tutorial is also available in printable (pdf) format which contains more screen shots.

Prerequisites

In order to be able to perform the operations described,

This tutorial assumes some basic experience with Samcef Field.

It requires a full license of Zemax-EE.

The topics covered in this tutorial are:

This tutorial

shows the resolution of a mechanical problem using the linear static solver ASEF

explains the chaining SAMCEF – OOFELIE – ZEMAX,

compares the simulations done by OOFELIE with those realized by ASEF.

Phase 1 : Performing the linear static mechanical analysis

(In this phase we will use the ASEF solver )

Starting up

1. Start the SAMCEF Field software.

In the screenshot of the Solver Driver Settings dialog, you can see the three types analyses that are possible

using the Samcef solvers; i.e. Linear Static (ASEF), Linear Transient Response (DYNAM ), Implicit Non Linear

(MECANO). These are the three SAMCEF solvers that are allowed for the SAMCEF – OOFELIE – ZEMAX

chaining.

2. Choose the Linear Static analysis (ASEF solver), and the other settings as shown below:

Click [OK].


84 ELDC


ELDC Import the Model

1. Make sure you are in the Modeler module In this study, we will import a previously

defined geometric model.

2. Select File - Import geometry.

In the Import dialog click on the Examples icon .

Click on the "brep" folder, then click on the "Optics" folder.

Select the file "ParabolicMirror_Holder.brep"

Click [Open].

The model is imported and appears in the 3D display and the data tree.

3. Save the ".sfield" document by selecting File - Save from the menu bar and defining a name (e.g.

ParabolicMirror_Asef).

We will now specify the data that will define the problem.

Assign the analysis data


2. With the ParabolicMirror_Holder selected in the data tree, click on Behavior .

As "Behavior" select Volume.

As "Type" select Flexible.


Select all the solids in the 3D display (5 solids). This can be done by dragging a bounding box with your mouse

to select all solids at once.


3. We are now going to assign the material properties. Invar will be used for the holder and glass for the

mirror. These materials will be imported from the data library.

From the menu bar in the Analysis Data module, select File - Import Data.

In the Import Data dialog, click on the sample directory icon .

Click on the "DataLibrary" folder, then click on the "Materials" folder.

Select "Invarstd.sfmaterial" and click [Import].

4. Repeat this procedure to import the "Glass.sfmaterial". The two materials will appear in the "Data

Library" section of the data tree.

5. With ParabolicMirror_Holder selected in the data tree, click on Material .

In the Used Data : Material box, click on the Fetch button .

Select "Invarstd" in the Fetch Data dialog, then [Close].


Select the 4 solids corresponding to the holder.

Click [Apply].

6. Click on the Fetch button again and select "Glass".

Apply this material to the 1 solid corresponding to the mirror substrate.


7. We are now going to apply the boundary conditions for the analysis.

With the ParabolicMirror_Holder selected in the data tree, click on Constraint .

As "Constraint" select Clamp.

As "Placed on" option select FACE and select the face of the holder as shown below.


85 ELDC


ELDC

Click [Apply] then [Close] .

8. With the "Model" selected in the data tree, click on Load

As "Load" select Acceleration.

Set the Amplitude to 9.81 m/s2 and choose the reversed Z axis direction, as shown below.

Select MODEL in the "Placed on" field.


The definition of the analysis data is now complete.


86 ELDC


ELDC Mesh the model

1. Click on the Mesh Module data .

2. With ParabolicMirror_Holder selected in the data tree, click on Length .

In the Average Length dialog, enter a value of 2 mm for the "Average Mesh Size".


3. With the ParabolicMirror_Holder selected in the data tree, click on Element Type .

As "Shape" select tetrahedron.

As "Order" select linear.

As "Method" select Delaunay-Voronoi..


4. With the ParabolicMirror_Holder still selected, click on Generate .

You can accept all the default settings and click on [Apply].

The mesh will be generated.


87 ELDC



1. Cick on the Solver module .

2. Click on the Convert and Launch tool

You can accept the default settings, except for the working directory (the same one will be used later when

realizing the chaining). Note that the field "Solver Directory Path" is automatically filled in.

3. Click on the Convert and launch button to start the computations.

At the end of the computations, you can close the solver monitoring box and the "Export Data and Launch

Solver" dialog.


88 ELDC


ELDC View the results

1. Click on Result .


the data tree. Select these items, then hit the <H> key to hide them.

2. In the data tree select the Nodal displacements result.

Click on the Criterion tool and set the criterion to Scalar – Scalar Magnitude.

This linear static result (that has been computed by the SAMCEF solver ASEF) will appear as below:


89 ELDC


ELDC The Optical model

In order to be able to perform the operations described, it is supposed that you have a full license of Zemax-EE.

During the resolution, OOFELIE connects to ZEMAX by means of the DDE Windows mechanism. So, it is

supposed that ZEMAX is started. As OOFELIE will request ZEMAX to launch an optical problem specified by

the user, the "Allow Extensions To Push Lenses" option of ZEMAX must be activated. This option is in the

preferences of ZEMAX.

The sequential model considered in ZEMAX is described below. It is the same model as in "Tutorial 1 : Opto-

mechanical study of a Parabolic Mirror".

The parabolic mirror parameters are:

Type = Standard

Radius = -2000 mm

Semi-Diameter = 50 mm

Conic = -1

The mirror surface is surface 2. It is the surface defining the stop and the global coordinate reference of the

system.

The optical axis direction is the direction of Z axis.

This model is very easy to make in ZEMAX. But if you prefer not to do it, you will find it in the examples

directory of SAMCEF Field:

Find the directory where SAMCEF Field is installed.

Go to the subdirectory "examples".

Select the "sfield" directory, then the "Optics" directory.

Copy the file "ParabolicMirror.zmx".


90 ELDC


ELDC

OOFELIE is compatible with the latest releases of ZEMAX. From the version of ZEMAX released on 26th

October 2010, the text output from analysis features is either in ANSI (ASCII) or Unicode format, with Unicode

as default. In order to retrieve optical indicators from ZEMAX during the process, the ANSI format is required.

This option is set in the preferences of ZEMAX (in the TXT File Encoding field, select ANSI).


91 ELDC


ELDC Phase 2: Chaining SAMCEF – OOFELIE – ZEMAX

Now that we have the optical model defined in ZEMAX and the results of a linear static analysis computed by

ASEF, we can perform the chaining SAMCEF – OOFELIE – ZEMAX. The SAMCEF tool SAMRES is used to

retrieve the results. The nodal displacements computed by ASEF will be imported in OOFELIE which will then

compute the surface deviation of the mirror surface (see "Tutorial 1: Opto-mechanical study of a Parabolic

Mirror" for an explanation about the meaning of "surface deviation"). OOFELIE will then export the

deformation of the mirror surface to ZEMAX.

Performing the chaining

1. Copy the ".sfield" file and name the copy e.g. ParabolicMirror_Asef_OofelieChaining. Here we suppose

that the structural problem solved by ASEF has been done in the graphical interface SAMCEF Field, as

we did in Phase 1. Note that it is also possible to use another graphical interface for realizing the

SAMCEF simulations is also possible. Please contact Open Engineering for further information.

2. In the newly copied ".sfield" document, click on Analysis Data .

Click on to open the Solver Driver Settings dialog box.

Set the Domain to Multiphysical Analysis.

Set the Solver to Oofelie Multiphysics.

Click [OK].

3. The Multiphysic Problem Configuration window will open.

Set the Physics option to "Mechanic" and the Advanced option to "Zemax Connection".

Click [OK].

You do not need to be concerned about the Solver Data that are visible in the data tree, even if some of them are

no longer valid. These data will not be taken into account when launching the chaining.


92 ELDC


ELDC 4. We will now define the optical behavior Sequential Mirror. (Other Used Data will not be taken into

account) .

With the ParabolicMirror_Holder selected click on Behavior .

As "Behavior" select Sequential Mirror".

As "Sequential Lens Type", select Zernike Standard Sag. This will request OOFELIE to translate the surface

deformation into a linear combination of Zernike Standard polynomials.

As "Aperture" select Circular.

As "Lens Order", select 2. This value corresponds to the mirror surface number in the ZEMAX problem (mirror

= surface 2).

Set "Nb polynoms" to the number of Zernike polynomials to be used in the decomposition. This number must be

in the range [1-231]. The default value is 28. Here we choose 100 polynomials.

Make sure that in the "Placed on" field the option "FACE" is selected and select the 4 faces defining the mirror,

as shown below.


OOFELIE will check that the corresponding surface inside ZEMAX is either a Standard or a Even Aspheric

Surface as, by definition inside ZEMAX, only these types of surface can be converted into a Zernike surface.

5. Enter the Solver module .

From the menu bar select Solver - Epilogue.

In the Edit Solver Epilogue window, enter the commands shown below, then click [OK].

6. These commands are always used for chaining; it is just the 3 parameters that need to be defined

(highlighted in yellow below):


93 ELDC


ELDC

The meaning of these parameters is given below:

o Factor: the conversion factor from the length unit used when computing the SAMCEF problem

to meter.

o ProblemName: the problem name used for the SAMCEF solver computation (see "Phase 1:

Performing the linear static mechanical analysis").

o ResultType: an integer value for defining the solver that has been used (0 for ASEF, 1 for

MECANO, 12 for DYNAM).

7. Click on the Archives tool .

Check that the right hand list (Requested results) is as shown below.

Click [OK].

8. Click on the Convert and Launch tool

9. In the Files & Memory tab, specify:

In the "Zemax Input File" field, the location of the ZEMAX problem. This is the existing ZEMAX file that

contains the description of the optical problem.

In the "Zemax Output Directory" field, the directory where the updated ZEMAX file will be stored.

OOFELIE will use a copy of the original ZEMAX problem and save this copy in the user specified directory. The

reason is that the optical problem will be modified. Surfaces, defined as optical ones will lead to a change of

surface type in the ZEMAX problem. The type will be the type selected when defining the optical behavior. In

this case, the initial Standard surface defined in the ZEMAX problem will be transformed into a Zernike

Standard one.

The Files & Memory tab should look similar to that shown below (note that the field "Solver Directory Path" is

automatically filled in). Take care to use the same Working Directory as the one used when computing the

SAMCEF problem in Phase 1, so that the results can be retrieved by OOFELIE using the SAMRES utility.


94 ELDC


ELDC

10. In the Static data tab, you can leave the default parameters.

In the "Exportation Hypothesis" field, the "Sag deviation" is related to the result called "Surface Deviation" (see

"Tutorial 1: Opto-mechanical study of a Parabolic Mirror " for an explanation about the exportation hypotheses).

11. Click on the Oofelie data panel:

Set the "Linear Solver Type" field to MUMPS.

Apply a "Number of significative digits" of 12.

12. If it is not yet started, start the ZEMAX software.


95 ELDC


ELDC

Click on the Convert and launch button to start the chaining.

The SAMCEF results are now being imported, as indicated by messages in the output window of the solver

monitoring box:

After importation of the nodal displacements previously computed by the solver ASEF, OOFELIE computes the

Sag Correction (difference between the surface sag as defined in ZEMAX and the corresponding surface in the

SAMCEF Field model), even though it is not taken into account here for the nodal displacement computation.

Then OOFELIE computes the Surface Deviation. The Surface Deviation i.e. the mirror surface deformation is

then exported to ZEMAX by creating a new updated ZEMAX file. During the OOFELIE – ZEMAX

communication process, some important optical indicators are retrieved from ZEMAX and are visible in the

solver monitoring box.


96 ELDC


ELDC Examine the results

1. Go to the Result module.


the data tree using the <H> key.

2. Select the result Nodal displacements in the result section of the data tree.

Set the criteria Scalar – Scalar Magnitude. This imported result is exactly the same as the one observed in

Phase 1.

If we compare this result with the corresponding one in Tutorial 1, where the nodal displacements were

computed by OOFELIE, the difference between them is negligible (see "Tutorial 1: Opto-mechanical study of a

Parabolic Mirror").

3. Now select Sag Correction in the result section of the data tree.

Select the criteria Scalar – scalar projection on Z. The correspondence between the SAMCEF Field geometry

and the optical surface in ZEMAX is very good, as indicated by this result:

4. By selecting the result Surface Deviation with criteria scalar – scalar projection on Z, we can observe

the deformation of the mirror surface.


97 ELDC


ELDC

The Surface Deviation is decomposed into a linear combination of Zernike Standard polynomials for exportation

to ZEMAX. In the new ZEMAX file, the Standard surface number 2 is changed to a Zernike Standard surface

and the computed Zernike coefficients are placed in the "Extra Data Editor". The updated model in ZEMAX is

shown below:

The deformed surface of the mirror can also be displayed inside ZEMAX, selecting the Surface Sag analysis. To

observe the surface deformation in ZEMAX (not the global shape of the surface), you need to change the radius

of surface 2 to infinity, then update the Surface Sag analysis. The display in false color is shown below:


98 ELDC


ELDC

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