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Authored By Hui Chen
はじめに
構造、熱、光学性能（STOP）解析により、光学エンジニアは機械的変形や熱光学効果による性能への影響を設計評価に含めることができます。この綿密な解析により、設計者はシステムレベルで重要な問題を特定できるため、設計修正を行い、より優れた製品をより早く市場に出すことができます。OpticStudioには、STOP解析ワークフローを合理化するSTAR（Structural（構造）、Thermal（熱）、Analysis（解析）& Results（結果））ツールと解析機能が備わっています。2021年のリリース以来、STARは業界で注目を集めており、多くのOpticStudioユーザーにとってSTOP解析のための最も重要なツールとなっています。
STARチームは、STARをより強力でユーザーにとって使いやすいものにするために、新機能と性能の開発を続けています。最新のAnsys Zemax OpticStudioリリースでは、新しいSTAR FEA [シンメトリ] (Symmetry) ツールが追加されました。この記事では、この [シンメトリ] (Symmetry) ツールの使用方法について説明します。
構造対称
精密なメッシュを使用したフルスケール構造解析では、構造の複雑さ、自由度（DOF）の数、適用される機械的荷重と熱荷重によっては、実行に非常に時間がかかる場合があります。FEAエンジニアは、実行時間を短縮する方法を常に模索しており、対称性を利用することが最も重要な考慮事項のひとつです。構造対称性を利用することで、タスクのサイズを小さくすることができるため、計算時間が大幅に短縮されます。対称性条件を適切に適用することで、メカエンジニアはシステムの一部をモデル化し、システム全体がモデル化されたかのように有用な洞察を得ることができます。経験則として、シミュレーションが完了するまでにかかる時間はn^2短縮されます。ここで、nはシステム全体の割合です。例えば、対称を使用してシステム全体の4分の1をモデル化すると、シミュレーションを16倍高速にすることができます。これにより、設計サイクル中に実行時間を数日から数時間に短縮できます。
シミュレーションされたデータセットをOpticStudioに読み込むには、光線追跡アルゴリズムが適切に機能するために、STAR の読み込みツールでは、光学系の表面全体または体積をカバーする構造データと熱データが必要です。面または体積の一部の構造または熱データが欠落していると、光線エラーが発生し、光線が途中で終了する可能性があります。つまり、構造モデルが特定の対称性を持っている場合でも、FEAエンジニアは形状全体をモデル化する必要があり、対称性のためにシミュレーション時間が短縮されないことを意味します。システムの4分の1または半分をシミュレートする代わりに、システム全体でシミュレーションを実行する必要があり、非常に時間がかかる可能性があります。このワークフローを考慮して、このFEA [シンメトリ] (Symmetry) ツールを開発しました。このツールを使用すると、ミラー対称または回転対称を使用して、部分的な構造データまたは熱データを完全なデータセットに変換できます。また、FEAエンジニアは可能な限り対称性を利用して、FEAシミュレーションの実行時間を大幅に短縮し、それによって全体的なSTOP解析時間を短縮できます。
FEA データビューア
FEAエンジニアから構造および熱データを受け取った後、光学エンジニアは[FEAデータビューア] (FEA Date Viewer) を使用してデータセットにアクセスし、データセットが適切にフォーマットされており、STARツールで読み取り可能であるかどうかを確認できます。
[STAR] (STAR) タブの左端に [FEAデータビューア] (FEA Data Viewer) ツールがあります。これをクリックして開き、表示されるファイルエクスプローラ ウィンドウで、FEAデータが保存されているフォルダに移動し、調べるファイルを選択します。ツールには、データファイルに含まれるメッシュポイントの数がリストされます。X、Y、Z方向のノード位置の最大、最小、中央値、およびX、Y、Z方向の変形の最大、最小、中央値が表示されます。これらの数字を見直すことで、データに意味があるかどうかを大まかに知ることができます。右側の [3Dビューアー] (3D Viewer) には、変形の大きさ（構造変形ファイルのデフォルト設定、温度プロファイルのスケールは° C）に基づいたカラースケールでノードの位置が表示され、FEAデータの形状とサイズを視覚化するのに役立ちます。次の例では、構造データは面全体の4分の1しかカバーしていません。これは、FEAエンジニアが対称性を利用し、光学系の4分の1に対してのみFEA解析を実行したことを示しています。部分構造データセットはOpticStudioでは直接使用することはできません。ただし、STAR [シンメトリ] (Symmetry) ツールを使用すると、4分の1データセットをミラーリングまたは回転して、光学面を完全に覆うデータセットを生成してから、STAR の [FEAデータの読み込み] (Load FEA Data) ツールを使用してOpticStudioにロードできます。
シンメトリツールの使用
対称ツールは、左の2番目のボタンである [STAR] (STAR) タブの下にあります。このボタンをクリックすると、次のようなウィンドウが開きます。[FEAファイルを開く] (Open FEA file(s)) ボタンを押してFEAデータフォルダに移動し、操作するファイルを選択します。この記事では、例として「Inverse_telephoto_lens.zOS」ファイルを使用します。選択したデータファイルをロードすると、グラフィックス領域に疑似カラーでデータ点が表示されます。次の2つの対称オプションを使用できます：[ミラーリング] (Mirror) および [回転] (Rotate)これらのオプションについては，次のセクションで説明します。
ミラー対称
[ミラーリング] (Mirror) オプションを使用すると、3つのミラーリング平面（XZ、YZ、およびXY）の1つ以上にわたってFEAデータセットをミラーリングできます。次の4分の1のデータから始めると、まず XZ平面に対して [ミラーリング] (Mirror) を選択して円の左半分をカバーするデータを作成し、次に YZ平面に対して [ミラーリング] (Mirror) を選択して、構造データの完全な円に到達させることができます。XZとYZのチェックボックスをクリックして選択したら、[選択中のプレビュー] (Preview Selected) ボタンをクリックして、グラフィックス領域にプレビューを表示できます。
回転対称
上記の４分の１対称の例では、[回転] (Rotate) オプションを使用してデータセットを完成させることもできます。回転オプションでは、ユーザーは3つの主軸（X、Y、Z）のいずれかから回転軸を選択できます。この場合、回転のZ軸を選択してから [プレビュー] (Preview) をクリックすると、光学面全体をカバーするデータセットが表示されます。
2D 前提の特殊なケース
場合によっては、通常は設計プロセスの初期段階で、FEAエンジニアはシミュレーションの複雑さを3次元から2次元に減らすことができます。このような仮定により、シミュレーション時間が大幅に短縮され、より頻繁なシミュレーションから得られた洞察を使用して、チームはより迅速な設計反復を行うことができます。このアプローチはすべての場合に適用できるとは限らないことに注意してください。結果は、最終解析ではなく、設計を指示するために使用する必要があります。
2D FEAデータセットの操作を示すために、以下のデータは球面上の半径方向に沿ったデータ点の単一の曲線にすぎません。この場合、FEAエンジニアはFEA解析中に360度対称を利用しました。[回転] (Rotate) オプションを使用して、回転軸をZ軸として設定すると、ツールはZ軸を中心にデータを360度回転し、円形面領域全体をカバーするデータセットを形成します。[選択プレビュー] (Preview Selected) をクリックすると、ツールがFEAメッシュノードの1行から始めて光学面を完全にカバーするFEAデータセットを作成したことが確認できます
熱データプロファイルは、2D解析でも使用できます。FEAエンジニアが提供する温度データの下には、XZ平面上の温度点の単一断面が表示されます。回転オプションを使用してこの断面をZ軸周りに回転させると、3Dレンズ体積全体を占める完全な温度点群が形成されます。
複数部分 FEA データファイルの同時操作
ここで、FEAエンジニアから、このような部分的な構造および熱データセットのセットを多数受け取ったとします。STARで光線追跡に使用するには、そのようなデータセットのすべてに対してミラーリングまたは回転操作を実行する必要があり、これは面倒で時間がかかります。[シンメトリ] (Symmetry) ツールでは、複数の部分データファイルをロードするオプションがサポートされているため、すべてのデータファイルに同じアクションを一度に適用できます。これらのファイルが同じ対称の前提を持ち、同じ対称平面または軸を中心にミラーまたは回転を必要とする限りです。ファイルを選択し、適切なミラーリングまたは回転Motionを適用した後、[すべてのプレビュー] (Preview All) ボタンをクリックして、ミラーリングまたは回転機能が適用された後にロードされたすべてのFEAデータセットがどのように表示されるかを確認できます。[プレビューのクリア] (Clear Preview) ボタンをクリックすると、グラフィックス領域から生成されたすべてのデータセットが削除され、最初からやり直す必要がある場合にリセットされます。
新規ファイルの保存
部分的なFEAデータセットのプレビューを生成し、完全なデータセットのプレビューに問題がなければ、[新しいファイルの保存] (Save New Files) ボタンをクリックして、生成されたデータセットを保存できます。これらの新しく保存されたデータセットを使用して、システムにインポートし、STAR光線追跡を行うことができます。[シンメトリ] (Symmetry) ツールによって作成されたこれらの新しいデータファイルは、元のデータファイルと同じファイル名を共有します。末尾は「_mirrored」または「_rotated」で、新しいファイルと元のファイルを区別できます。
STOP 解析のための完全な FEA データセットの読み込み
新しいデータファイルの作成が完了すると、通常のFEAデータセットの場合と同様に、[FEAデータの読み込み] (Load FEA Data) ツールを使用して光学モデルに読み込む準備が整いました。構造および熱データセットを配置したら、[構造データサマリー] (Structural Data Summary) および [熱データサマリー] (Thermal Data ummary) エディタを使用して、FEAデータセットが適用されたすべての面または体積のリストと、適用されたデータファイルの名前を表示できます。データサマリー内でデータセットを個別にオンまたはオフにして、光線追跡に含めるか、または光線追跡から削除できます。これにより、特定の要素の構造的または熱的影響の感度を分離してテストできます。また、[パフォーマンス解析] (Performance Analysis) ツールを使用して、各データセットの性能への影響を視覚化することもできます。パフォーマンス解析では、光学面に割り当てた各 FEA データセットが、指定した性能指標の全体的な変化にどの程度の影響を及ぼすかを確認できます。このツールを使用すると、総合的な性能が最も大きく変化する要因となる面はどれであるかがわかります。また、性能に対する構造的変形の効果と温度データの効果を区別することもできます。最終的には、この解析によって、どの面が性能の変化に寄与しているかだけでなく、その変化の特性も見ることができます。
結論
この記事では、最新のAnsys Zemax OpticStudioリリースで掲載された新しい [シンメトリ] (Symmetry) ツールを使用する方法を説明しました。構造解析や熱FEA解析を行う際、対称性を考慮することで、モデルサイズを小さくすることができ、シミュレーション時間を大幅に短縮することができます。OpticStudioでは部分的なFEAデータセットを直接取り込むことはできませんが、この [シンメトリ] (Symmetry) ツールを使用することで、例えば半分または４分の１、あるいは単一のFEAデータポイントなどの部分的なFEAデータを、レンズの表面と体積全体をカバーする完全なデータセットに変換できるようになりました。このツールは、STAR機能の優れた追加機能です。光学設計者がFEAエンジニアと緊密かつ円滑に連携し、より効率的な構造・熱解析を行うことができるようになり、STOP解析のワークフロー全体が加速されます。