該系列文章將討論智能手機(jī)鏡頭模組設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，從概念和設(shè)計(jì)到制造和結(jié)構(gòu)變形分析。本文是四部分系列中的第四部分，它涵蓋了相機(jī)鏡頭的顯式動(dòng)態(tài)模擬，以及對(duì)光學(xué)性能的影響。使用 Ansys Mechanical 和 LS - DYNA 對(duì)相機(jī)在地板上的一系列沖擊和彈跳過程進(jìn)行顯式動(dòng)力學(xué)模擬，其中 LS - DYNA 用于解決跌落物理問題，然后通過 STAR 工具將其導(dǎo)入Ansys Zemax OpticStudio Enterprise，進(jìn)而研究對(duì)光學(xué)性能產(chǎn)生的影響。

1.Ansys Zemax | 手機(jī)鏡頭設(shè)計(jì) - 第 1 部分：光學(xué)設(shè)計(jì)

2.Ansys Zemax | 手機(jī)鏡頭設(shè)計(jì) - 第 2 部分：使用 OpticsBuilder 實(shí)現(xiàn)光機(jī)械封裝

3.Ansys Zemax | 手機(jī)鏡頭設(shè)計(jì) - 第 3 部分：使用 STAR 模塊和 ZOS-API 進(jìn)行 STOP 分析

附件下載

聯(lián)系工作人員獲取附件

介紹

Ansys LS-DYNA (LS-DYNA)與本系列文章前面部分的Ansys工具（Ansys Zemax OpticStudio、Speos、Mechanical 和 Workbench）一起，可以將仿真工作流擴(kuò)展為顯式動(dòng)力學(xué)，LS-DYNA 廣泛用于各種分析，它的核心能力之一是顯式動(dòng)態(tài)。Ansys LS-DYNA適用于分析涉及接觸、大變形、非線性材料、瞬態(tài)響應(yīng)和/或需要顯式解決方案的問題。

LS - DYNA Workbench 系統(tǒng)（WB LS - DYNA）允許用戶使用 LS - DYNA 求解器對(duì)模型進(jìn)行顯式動(dòng)力學(xué)分析。雖然它允許在一個(gè)環(huán)境中進(jìn)行預(yù)處理、求解和后處理，但該工作流需要結(jié)合使用 WB LS - DYNA 和 LS Prep - Post 進(jìn)行高級(jí)后處理。

與本系列文章的第3部分“Ansys Zemax | 手機(jī)鏡頭設(shè)計(jì) - 第 3 部分：使用 STAR 模塊和 ZOS-API 進(jìn)行 STOP 分析”類似，本部分也使用 Ansys Mechanical 生成 FEA 數(shù)據(jù)集。然而，第3部分的重點(diǎn)是使用 STAR 工具和 ZOS API 自動(dòng)導(dǎo)入有限元分析數(shù)據(jù)，而第4部分的重點(diǎn)是生成顯式動(dòng)力學(xué)結(jié)果，并在 Ansys Zemax 中查看光學(xué)性能。這兩個(gè)工作流程都需要 Ansys Zemax OpticStudio Enterprise 中的 STAR 工具來(lái)處理 FEA 變形。

簡(jiǎn)介

LS-DYNA具有顯式動(dòng)力學(xué)的有限元分析。

手機(jī)攝像頭的光機(jī)系統(tǒng)（光機(jī)設(shè)計(jì)見第 2 部分）被加載到 Ansys Workbench 中，并導(dǎo)入到 LS - DYNA 分析系統(tǒng)中。為了使碰撞模擬更真實(shí)，攝像頭系統(tǒng)被放置在一個(gè)更大的機(jī)身內(nèi)，該機(jī)身具有常見智能手機(jī)設(shè)備的尺寸和形狀。

模擬包含攝像頭系統(tǒng)掉落在平坦表面上的瞬態(tài)序列。平坦表面（可能是地板）在上面的圖像中被標(biāo)記為紅色，并被設(shè)置為固定支撐。固定支撐是一種邊界條件，可防止選定的幾何圖形或網(wǎng)格實(shí)體移動(dòng)或變形。

假設(shè)物體從靜止?fàn)顟B(tài)(初速度= 0)落下，僅因重力下落，那么撞擊時(shí)的速度可以用以下公式計(jì)算:

其中，v=沖擊速度，g =重力加速度（9.8 m/s2），h = 攝像機(jī)系統(tǒng)落下的高度。假設(shè)帶有攝像系統(tǒng)的手機(jī)從1.5米的高度(大約相當(dāng)于一個(gè)普通人的手的高度)掉落，撞擊速度為

這導(dǎo)致整個(gè)手機(jī)產(chǎn)生以下初始變形:

以及透鏡本身的以下變形:

請(qǐng)注意，出于演示目的，視覺變形已按比例放大。

為了分析此跌落測(cè)試對(duì)光學(xué)性能的影響，需要單個(gè)透鏡的變形數(shù)據(jù)集。為了提取數(shù)據(jù)集，為每個(gè)透鏡面創(chuàng)建一個(gè)命名選擇。在 WB - LSDYNA 中求解模擬后，在 LS - PrePost 中讀取輸入文件和結(jié)果。LS - PrePost 是 LS - DYNA 的專用前后處理工具。在 LS - PrePost 中，運(yùn)行一個(gè)腳本來(lái)將特定面（在命名選擇中定義）的變形導(dǎo)出為正確的格式，以便可以通過 STAR 工具將它們導(dǎo)入到 Ansys Zemax OpticStudio 中。

模擬涉及兩個(gè)步驟，并且從兩個(gè)步驟中都導(dǎo)出變形數(shù)據(jù)集：

1.沖擊分析：這是模擬時(shí)間的 0 - 0.1ms，即沖擊發(fā)生時(shí)。

2.沖擊后分析：這是沖擊狀態(tài)后 1 秒，此時(shí)允許振動(dòng)衰減以避免變形中出現(xiàn)任何不必要的噪聲。

將 FEA 數(shù)據(jù)加載到 Ansys Zemax OpticStudio 中

在 Ansys Mechanical 中生成 FEA 數(shù)據(jù)集后，現(xiàn)在可以將它們加載到 OpticStudio 中。如本系列文章第 1 部分所述，名義上的手機(jī)攝像頭系統(tǒng)已在 OpticStudio 中設(shè)計(jì)并優(yōu)化了性能。透鏡系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)基于一項(xiàng)專利，包含五個(gè)主要的非球面透鏡：

為了分析和比較手機(jī)攝像頭在三種主要狀態(tài)（沖擊、沖擊后和名義）下的性能，通過 OpticStudio 主窗口頂部 STAR 選項(xiàng)卡中的多物理場(chǎng)數(shù)據(jù)加載器導(dǎo)入 FEA 數(shù)據(jù)集。

對(duì)于代表透鏡或光學(xué)組件物理表面的每個(gè)表面，分配一個(gè) “Surface_deformation” 數(shù)據(jù)集。由于自從 OpticStudio 導(dǎo)出名義幾何形狀以來(lái)坐標(biāo)系沒有改變，因此為特定表面對(duì)齊數(shù)據(jù)集并設(shè)置為全局坐標(biāo)系。如果不是這種情況，可以將坐標(biāo)系更改為局部坐標(biāo)系，或者可以應(yīng)用用戶定義的變換。在將數(shù)據(jù)集分配給表面后，可以通過單擊 “OK（Fit Multiphysics Data）” 加載和擬合數(shù)據(jù)集。

分析不同狀態(tài)下的光學(xué)性能

加載和擬合多物理場(chǎng)數(shù)據(jù)后，現(xiàn)在可以分析不同狀態(tài)的性能，更重要的是進(jìn)行比較。由于這是一個(gè)手機(jī)攝像頭系統(tǒng)，在性能分析過程中有一些分析工具可供使用。在這種情況下，使用以下分析工具進(jìn)行分析和比較：

1.圖像模擬 - 此功能通過將源位圖文件與一組 PSF進(jìn)行卷積來(lái)模擬圖像的形成?？紤]的效果包括衍射、像差、畸變、相對(duì)照明、圖像方向和偏振。

2.波前圖 - 顯示光瞳上的波前差。

3.STAR System Viewer - 顯示由于擬合的多物理場(chǎng)數(shù)據(jù)而導(dǎo)致的表面變形和光學(xué)屬性變化的系統(tǒng)范圍視圖。

名義系統(tǒng)狀態(tài)

由于透鏡系統(tǒng)已經(jīng)針對(duì)這種狀態(tài)進(jìn)行了優(yōu)化，所以圖像模擬的質(zhì)量非常好。波前誤差是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，最大誤差為0.225波。沒有顯示變形，因?yàn)榇藭r(shí)沒有應(yīng)用多物理數(shù)據(jù)。這將作為基線和性能的“理想”狀態(tài)。

沖擊狀態(tài)

當(dāng)加載來(lái)自沖擊狀態(tài)的數(shù)據(jù)集時(shí)，可以清楚地看到相機(jī)系統(tǒng)的性能可以被視為不可用。變形如此之大，以至于圖像模擬和波前映射的結(jié)果可以稱為“過時(shí)數(shù)據(jù)”。有趣的是，可以在 STAR System Viewer 中看到透鏡系統(tǒng)的變形大小。平均變形約為 0.33 毫米，對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)形變尺度過大了，無(wú)法執(zhí)行并產(chǎn)生任何重要的結(jié)果。

OpticStudio 中 STAR 工具的一大優(yōu)勢(shì)是您可以將剛體運(yùn)動(dòng)的影響與表面變形的影響解耦。這可以通過 Structural Data Summary 中的簡(jiǎn)單復(fù)選框來(lái)完成，并且可以隨時(shí)打開或關(guān)閉。在下面的動(dòng)態(tài)圖中，從完整的變形數(shù)據(jù)開始，首先禁用剛體運(yùn)動(dòng)RBM 部分，然后一起忽略變形效果：

在上面顯示的分析結(jié)果中，包括 RBM。下面顯示了相同的分析，但這次排除了 RBM。這使您能夠觀察到高階變形，這在光學(xué)分析過程中非常重要。STAR System Viewer 現(xiàn)在顯示的平均變形幅度約為 0.025 毫米，這導(dǎo)致波前誤差約為 40 個(gè)波長(zhǎng)，而標(biāo)稱性能的波前誤差約為 1/4 波長(zhǎng)，這仍然表明存在嚴(yán)重的光學(xué)像差。如此大的波前誤差會(huì)導(dǎo)致圖像質(zhì)量高度下降，這在圖像模擬中可以看到。

聯(lián)系工作人員了解關(guān)于 RBM 變形和高階變形比較的更多信息

沖擊后狀態(tài)

沖擊后狀態(tài)的結(jié)果如下所示：

查看 STAR System Viewer 的變形矢量，仍然有趣的是，在一些鏡頭的邊緣區(qū)域仍然存在約 0.025mm 的變形幅度。然而，可以清楚地看到，最后一個(gè)鏡頭（即紅外濾光片）的幅度顯著下降。這導(dǎo)致性能仍然明顯低于名義狀態(tài)，但會(huì)導(dǎo)致更有效的結(jié)果。波前圖顯示誤差約為 ± 15 個(gè)波，這仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這種光學(xué)系統(tǒng)的可接受限度。圖像模擬顯示了鏡頭變形與相機(jī)系統(tǒng)中可能發(fā)生的失真和像差之間的直接聯(lián)系。該物體是可識(shí)別的，但非常模糊。

結(jié)論

本系列文章的第四部分展示了如何在 Ansys Workbench 中使用 Ansys LS-DYNA 來(lái)仿真手機(jī)攝像頭模塊跌落測(cè)試的顯式動(dòng)力學(xué)。借助 Ansys Mechanical，沖擊和沖擊后狀態(tài)的變形數(shù)據(jù)集已被提取和處理，以便在 Ansys Zemax OpticStudio 中使用。在 Ansys Zemax OpticStudio 中，F(xiàn)EA 數(shù)據(jù)集可以通過 STAR 模塊加載并分配給光學(xué)系統(tǒng)。這樣，光學(xué)工程師就可以研究和比較光學(xué)系統(tǒng)在沖擊變形和沖擊后狀態(tài)的影響下的性能。

后續(xù)步驟

在這個(gè)示例中，我們分析了跌落測(cè)試中的光學(xué)性能。同樣 LS-DYNA- Mechanical - Zemax 工作流程還可以應(yīng)用于研究振動(dòng)或累積沖擊等其他領(lǐng)域。