Moldex3D模流分析之光学分析模组

光学分析简介

随着塑料产业的成长，越来越多射出成型件如光盘、透镜及波导等，因其良好的光学性能被广泛使用在光学应用上。在射出成型时，由分子配向引发的双折射会导致非等向光学特性，是光学塑件开发的最关键因素之一。双折射（Birefringence or double refraction）系指当一束光穿透透明材料时分解成两条光束。当偏极光穿透这些材料时，将会出现光暗条纹，其条纹级数大小与主应力的差异有关。

光学塑件产生双折射主要有两项原因。一是在充填时，因分子配向而导致的流动残留应力；另一则是在冷却时，因收缩不均而导致的热残留应力。流动残留应力是在充填时由高剪切率所产生，能在后充填过程中及顶出后被释放或凝固；而热残留应力是由于塑料材料在低于玻璃化温度（T_g）冷却时的密度不均或收缩不均所产生。

流动应力通常被认为小于热应力，但不能忽视前者的影响，特别是在薄壁成型中，塑件分子的凝固配向会影响非等向机械特性、热与光学性质以及长期的尺寸稳定性。模穴表面的凝固层为不良热导体，让热芯中的分子有机会进行配向。若整体塑件在非常短的时间中冷却与凝固，将导致薄壁成型中分子配向不完全。因此，流动应力的影响对于薄壁塑件非常重要，热应力则会影响薄壁塑件的双折射现象。

为了能更好控制双折射现象，在数值模拟与实验研究上，发展并使用各项方法检视双折射现象。在数值模拟的方法，传统的2.5D模拟由于中间面建构的固有因素与模型简化，不能提供准确的双折射预测，因此，必须应用真实三维的模拟方案。Moldex3D光学分析模块，使用真实三维，能协助观察光学塑件的重要因素，例如：双折射、光程差及光弹条纹。

Moldex3D光学分析模块功能导览

Moldex3D光学分析模块为创新的仿真技术，能协助用户改善塑料光学产品，预测重要光学性质如双折射、光程差及偏极化等，优化加工条件。Moldex3D与CODE V 的整合能提供使用者更准确的不均匀折射率的结果预测，进而控制实际生产问题。

注意：

1.光学仿真分析需要高网格质量，因此强烈建议使用Hexa或Prism产生网格，而且厚度方向的网格等级需高于8层。网格质量可提升计算效率，且分析结果值得信赖。

2.光学分析使用的材料必须有光学性质。请在执行分析前确认已选择适合的材料。此外，执行光学分析需先具有充填／保压、冷却及翘曲分析的结果。

3.Moldex3D光学分析模块只支持solid网格模型。

1. 前处理 (Pre-processing)

其前处理阶段的步骤与基本模块的相似：

步骤1：产生网格模型

步骤2：建立新项目

步骤3：建立新组别

步骤4：选择分析项目

2. 开始分析 (Prepare Analysis)

以下将列出特定步骤的操作说明。

计算参数

(1)在充填／保压（Flow/Pack）标签中的求解器类型必须选为强化版 (Enhanced)。

(2)如要执行光学分析时观察充填／保压阶段的光学性质，请在计算参数的黏弹性／光学（VE/Optics）卷标中勾选预测流动残留应力在充填／保压阶段（Estimate flow-induced residual stress in filling/packing stage）的选项，如下图所示。

(3)必须勾选光学性质预测（Estimate optics properties）的选项以执行光学分析。在光传递方向（Direction of propagation）的显示栏中，增加至少一组资料以设定观察方向。

(4)选择实验观察装置的类型（Type of circular polariscope set-up）为暗场（Dark field）或亮场（Light field）。设定光源类型（Light source type）的单一色光波长(monochromatic wave length)。

光学分析的计算参数设定

这些设定完成后即可进行分析。返回 Moldex3D Studio，点击分析顺序 (Analysis sequence)，并选择光学分析 (Optics)－O，以执行光学分析（下图）。

分析顺序设定

3. 后处理 (Post-processing)

在窗口显示输出的流域分布图标

检视光学分析模块的分析结果的简单方法就是在窗口显示流域分布图标。基本显示步骤如下图。

步骤1：从Studio中选择适合的项目。

•选择想要的组别

•在分析结果／光学（Result/Optics）选择想要的结果

•选择结果项目，例如：流动引发的光学性质、热性质或光学性质总合

步骤2：从显示工具栏（Display Toolbar）中选择图标，在显示窗口（Display Window）中选择想要查阅的分析结果。相关范例如下。

选择光学分析中充填阶段时流动引发的双折射结果

1. 检视制程中由流动引发的双折射 (Flow-induced Birefringence during the Processing)

在计算完成之后，能检查在充填、保压及冷却阶段时由流动引发的光学性质。例如：要检视组别的结果，请在Studio树状目录中选择组别（Run） > 分析结果（Result）> 光学分析（Optics）> 流动导致双折射（flow-induced birefringence）。其结果将在显示窗口（display window）中展现，如下图。同样地，使用相同的方法以检视双折射、光程差（下图）、条纹级数与光弹条纹。

2. 检视光学性质总合 (Total Optical Properties)

如要显示组别的双折射与光弹条纹的总体效果，请在Studio树状目录中选择组别 (Run)> 分析结果 (Result)> 光学分析 (Optics) > 总双折射 (Total Birefringe) 或总光弹条纹 (Total Fringed_Pattern)。其结果将在显示窗口 (Display window) 中展现，如下图所示。

关于其他不同阶段时的光学特征，请依照上述的相同步骤。

3. 评估折射率 (Refractive Index)

如要评估组别的折射率，请在Studio树状目录中选择组别 (Run) > 分析结果 (Result) > 光学分析 (Optics) >折射率 (Refractive Index)。其结果将在显示窗口 (Display window)中展现，如下图所示。

选择工作区中的折射率项目，显示射出件的折射率分布

此外，双击折射率结果可观看结果定义，更多关于折射率分布百分比的信息如下图所示。

选择结果判读员，显示折射率的定义及提供折射率分布百分比的信息

备注：因为折射率是以翘曲后的最终塑件进行计算，所以在执行光学分析前需先执行翘曲分析。

4. 输出成型结果至光学软件 (Pass Molding Results to Optical Software)

导览

此功能只适用有光学边界条件的实体模型。因此，需设定对应光学软件中表面定义的光学面边界条件。

透过Moldex3D Mesh的前处理功能，能轻松设定光学面并输出。除了光学分析的一般设定之外，需选择要输出至光学软件中的项目，此数据将在仿真后提供。

1. 设定与执行 (Settings and Execution)

设定光学边界条件：

在Moldex3D Mesh 中产生适合的实体网格模型之后，能设定光学表面的边界条件。选择想要的面，左键点击BCs按钮，边界条件设定 (B.C. Setting) 的对话框将会出现，如下图所示。接着，选择光学（Optics）为边界条件的类型，并对新产生的光学表面命名。

点击BCs按钮，设定光学边界条件

2. 选择计算参数 (Select Computation Parameter)

必须勾选输出至光学软件(Output to optical software)的选项，将成型后的仿真结果传送至光学软件。右键点击详细(Detail…)，光学接口选项(Optics Interfacing Function Option)的对话框将会出现，Moldex3D能选择变形形状与折射率分布的结果项目，传送至光学软件中。

传送变形形状有两种方式：一是直接转换为Zernike多项式(Direct Conversion to Zernike polynomials)。程序将变形面直接转换为Zernike多项式系数，并写在资料文件中。用户能在光学软件中输入分析所需的系数。另一则是INT档案贴至表面(attach INT file to the surface)。程序将表面正向变形转换为INT档案。用户能在光学软件中将INT档案贴至表面。

程序将成型后的折射率分布放入函数n(x,y,z)中。使用Moldex3D提供的moldex3dgrn.dll，CODE V 能读取适合的分析结果以得到梯形折射率。(moldex3dgrn.dll必须放在CODE V/umr文件夹中)

勾选输出至光学软件（Output to optical software）选项，并选择光学接口的细节。

3. 执行光学程序 (Execute Optics Program)

执行光学分析，设定窗口如下所示。

选择与执行光学分析

在仿真之后，程序建立数据文件。

程序产生数据文件

4. 检视表面变形 (Examine the Surface Deformation)

依照下列步骤检查表面变形：

1.  汇入镜片几何

第一步是汇入镜片几何档（.len）。下图显示平凸（Planoconvex）几何模型。

平凸几何模型

2.  贴上从Moldex3D输出的.int檔

在镜片数据管理员(Lens Data Manager)下，选择一个平面(例如对象1 (Object 1))，将列出相关镜片信息。点击表面属性(Surface Properties)卷标，如下图的窗口将会跳出。选择表面号码，在进阶(Advanced)项目下点击干涉谱(Interferogram)，然后双点击右边的档案(File)。选择档案（Select file)的窗口将会跳出，选择正确的.int档并点击OK。在左下角，点击提交变更(commit changes)，接着关闭窗口。

镜片表面属性

3.  检查表面变形

在显示（Display）下点击观看干涉谱（View Interfergram），如下图的窗口将会跳出。点击颜色显示（Color Display）的卷标，并选择正确的表面（在此范例中为1）。点击OK，表面变形将会在光学软件中由干涉谱显示 (下图)。变形为正数代表表面上有凸点（bump）。

由INT显示表面变形

5. 检视折射率效果 (Examine the Refractive Index Effect)

光学设计中假设折射率是均匀的，然而，在实务上成型后的折射率并非均匀的。使用此功能，GRIN（梯形折射率）的效果能透过CODE V 的优化进行研究与补正。如下图所示，使用单一镜片以展示GRIN效果。

成型折射率效果的比较