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該系列文章將討論智能手機鏡頭模組設計的挑戰(zhàn)，從概念、設計到制造和結構變形的分析。本文是四部分系列的第三部分，它涵蓋了使用 Ansys Zemax OpticStudio Enterprise 版本提供的 STAR 技術對智能手機鏡頭進行自動的結構、熱、光學性能 (STOP) 分析。有限元分析數據的導入和擬合過程通過使用 ZOS-API 實現自動化（本文提供了用戶擴展和用戶分析）。通過內置分析功能，以及利用 ZOS-API 用戶分析實現的擴展仿真，對不同熱條件下手機鏡頭的熱致結構變形進行光學性能分析。

Ansys Zemax | 手機鏡頭設計 - 第 1 部分：光學設計

Ansys Zemax | 手機鏡頭設計 - 第 2 部分：光機械封裝

所需工具

· Ansys Zemax OpticStudio 企業(yè)版
- 或 舊版 Zemax OpticStudio 專業(yè)版/旗艦版以及 STAR 模塊授權

· FEA 模擬分析工具（Ansys Mechanical 在本示例中使用，作為 FEA 有限元分析軟件）

· Ansys Mechanical 數據導出擴展程序（可選）

簡介

通常，制造延遲和生產成本增加將導致公司需要尋找方法來維持新產品的交付，以應對緊迫的時間表?！皹嫿ú⑼品?的設計模型形式推高了成本，因為樣機需要在多次迭代中構建和測試。精確的多物理場仿真可以幫助工程和設計團隊預測系統(tǒng)在各種使用情況下的性能，并仿真可能的條件，以在設計階段了解對系統(tǒng)性能的影響。綜合模擬是從一開始就避免浪費時間并節(jié)省生產周期成本的方法之一。由于材料在不同溫度下性能的變化，物理影響不僅是結構上的，而且是光學上的。這些影響可能很關鍵，嚴重影響批量生產后產品的使用。

在手機相機鏡頭模組的設計階段要考慮的因素之一是，如果手機在溫度與室溫不同的環(huán)境中使用，它是否可按照規(guī)格運行。隨著溫度的變化，透鏡材料膨脹或收縮，導致透鏡的表面形狀以及材料折射率發(fā)生變化，這將使光線發(fā)生偏離。此時的表面形狀不再能夠通過已知的參數化多項式來描述，也不再能將各向同性折射率賦予整個透鏡幾何體。這些變化會影響最終圖像，并可能降低圖像質量，MTF 值可能也會低于設計要求，從而導致最終圖像損失對比度而變得模糊。

光學產品不僅包含光學透鏡，還具有機械封裝元件，這些元件會因為改變鏡片的位置和對鏡片施加壓力（這是鏡片表面變形的另一種方式）而顯著影響性能。Ansys Zemax OpticStudio 企業(yè)版可用于對手機鏡頭光學系統(tǒng)進行結構和熱分析，當熱條件和機械負載得到模擬時，輸出的結果可用于量化它們對手機鏡頭系統(tǒng)的影響。通過將 Ansys Mechanical 的仿真結果加載到 Ansys Zemax OpticStudio 企業(yè)版進行靜態(tài)和瞬態(tài)仿真，從而建立互操作性以全面了解光學性能。

STAR 用戶擴展程序

為了分析熱致結構變形的影響，共計 14 個結構數據集可以分配給系統(tǒng)中的透鏡表面。OpticStudio 用戶界面可實現為每個表面單獨分配數據集。

共有 14 個光學表面和 7 個對應時間點，總共有 98 個不同的 FEA 數據集需要分配給正確的光學表面才能全面分析系統(tǒng)。為了減少重復點擊并避免數據分配過程中的錯誤，可通過 ZOS-API 編寫用戶擴展程序，將數據加載到當前鏡頭系統(tǒng)。用戶擴展程序可以：

· 從數據集文本文件的名稱中識別表面編號和 FEA 數據類型

· 自動將數據集應用于正確的表面

· 自動應用所有時間點的數據集

如何使用用戶擴展程

1. 選擇保存有限元分析數據集的相應坐標系

· 此擴展模塊假定所有 FEA 數據集都在同一坐標系中保存

2. 要加載FEA數據集文本文件，請單擊Load FEA

3. 在彈出的“文件資源管理器”窗口中，選擇包含系統(tǒng)數據集的文件夾。

· 默認路徑與當前鏡頭文件所在的位置相同

· 請務必確認內部文本文件的格式正確，以避免加載錯誤

4. 在 OpticStudio 界面中，打開 STAR 擬合評估工具檢查（如果需要，進行修改）擬合設置選項，然后點擊OK。

· 此用戶擴展對所有調整的表面和此 FEA 數據類型應用相同的擬合設置。

· 報告擬合參數和擬合結果以供核查并保存為 txt 文件。

自動化瞬態(tài)分析工作流程（多個時間點）

需要在不同階段或操作模式下進行分析的應用，例如不同的階段（地面、發(fā)射和在軌）、不同的時間（激光關閉、激光開啟 0 秒、激光開啟 5 秒、激光開啟 5 分鐘等）或不同的溫度（0℃、25℃、50℃），要求團隊使用多組 FEA 數據集。在每個階段將 FEA 數據集分配給光學表面可能既耗時又容易出錯。附件中的用戶擴展處理數據分配，并在后臺為當前手機鏡頭添加 STAR 系統(tǒng)。

為了載入多個時間點的 FEA 數據集：

1. 選擇保存 FEA 數據集所在的合適坐標系。

2. 接下來選擇要加載的 FEA 數據類型。在此示例中，我們將使用Structural Only：

· 通過用戶擴展，我們只需點擊一下即可輕松加載僅結構數據、僅溫度數據或兩者兼有的數據。

· 為表面指定數據時，將根據該文本文件的名稱應用這些數據，例如，Surface_05_Temperature.txt將應用于表面5。當名義鏡頭文件中有虛擬表面或其他透鏡表面添加鏡頭數據編輯器中時，還可以進行補償分配操作，例如，如果在所有鏡頭元件之前添加了兩個表面，并且分配補償設置為2，那么Surface_05_Temperature.txt現在將應用于表面7。

3. 點擊加載多組有限元分析數據。

4. 在彈出的文件資源管理器窗口中，選擇存有不同時間點 FEA 數據集的多個文件夾，然后點擊 OK。

· 在后臺會創(chuàng)建初始鏡頭系統(tǒng)的副本，并以以下命名架構進行保存：{original_lens_filename} + 'sys'{n}.zos(e.g. 710_reoptimized_MTF_materials_QType_sys6.zos)

· 具有 FEA 數據集的不同 OpticStudio 系統(tǒng)將列在一個表中，其中每行代表一個創(chuàng)建的系統(tǒng)。

· 用戶擴展將每個表面的擬合設置和FEA數據集的擬合結果保存到與鏡頭設計文件位于同一目錄中的 MultiFEAfitResults.txt。

· 用戶擴展遵循 本文 中使用的命名架構。該擴展僅識別具有以下名稱的 FEA 數據文件：

- Surface_XX_Temperature

- Surface_XX_Deformation

- Surface_XX_Temperature_deformed

· 如果 FEA 數據集的格式或命名不正確，則在數據加載過程中，OpticStudio 將顯示一條錯誤信息。此外，PV 和 RMS 擬合結果將為 0。

5. 加載 FEA 數據集后，您可以使用 ActiveFEA 列中的復選框來快速驗證該特定系統(tǒng)的 STAR 數據或其他性能。

6. 要想無需重新導入 FEA 數據集而保存進度并返回到過程中，您可以點擊 “Save” 按鈕。

· mygrid.bin 文件將保存在 C:\Users\...\Documents\Zemax\Configs路徑中

· Load 按鈕將從 bin 文件中加載擴展中的所有數據和相關設置。

系統(tǒng)布局圖導出

從各個時間點生成系統(tǒng)視圖對于了解系統(tǒng)在整個時間范圍內經歷的變化非常有用。當使用 ZOS-API 擴展執(zhí)行多 FEA 數據加載時，會自動生成一個 ZPL，以便將分析圖形窗口保存為不同 STAR 系統(tǒng)的圖像文件。ZPL 宏保存到 C:\Users\...\Documents\Zemax\Macros\ZPL Image Export.zpl。在此示例中，我們將重點介紹 STAR 系統(tǒng)查看器，以查找可能由有問題的 FEA 數據集引起的任何明顯錯誤。

· 打開當前文件路徑中的任一 STAR 系統(tǒng)，系統(tǒng)查看器功能僅適用于加載了 FEA 數據的鏡頭文件。

· 在 OpticStudio 界面中，關閉所有圖形和分析窗口（即布局圖、WFE 圖等）

· 在命令功能區(qū)中，點擊 STAR選項卡> 系統(tǒng)查看器

· 在命令功能區(qū)中，點擊 “編程”選項卡 > 宏列表 > ZPL Image Export.zpl

· 宏運行后，圖像文件保存在輸出目錄中。

- 該宏會將表中所列所有系統(tǒng)的圖像導出到 C:\TEMP 中

· 輸出目錄可以根據具體喜好和情況修改。

此方法可用于生成其他 STAR 模擬分析結果的對比報告。

通過使用上述 ZOS-API 功能，我們可以快速了解有限元數據集的質量，并向機械工程師反饋，以便在做有限元分析時進行實際設置項檢查或參數調整。

STAR 用戶分析

查看一個系統(tǒng)中所有表面的擬合結果

一旦 FEA 數據集通過用戶擴展程序得到分配，單獨的用戶分析就可以加載并顯示所有系統(tǒng)的結果總結。這在處理來自不同時間點的多組數據集時提供了更高效的工作流。

1. 要分析多個時間點的結果，請在OpticStudio界面的“編程”選項卡中點擊 User Analyses > STARUSER_ANALYSIS。

2. 在STAR用戶分析中，點擊設置下拉按鈕。

3. 要檢查一個系統(tǒng)中所有光學表面的擬合結果，請點擊 Check Fit Error/User Plot

· 右側面板將改變

4. 更改以下設置，然后點擊 “OK”：

· 數據：Structural

· STAR系統(tǒng)：1

· 擬合誤差：RMS + PV

顯示所有表面和所有時間點的RMS擬合誤差

1. 要顯示所有光學表面在所有時間點下的擬合誤差，請點擊 Fit Error / User Plot

· 右側面板將改變

2. 更改以下設置，然后點擊 “OK”：

· 數據：Structural

· STAR系統(tǒng)：All

· 擬合誤差：RMS

3. 點擊 STAR 用戶分析窗口中的更新，將出現繪圖：

當前擬合設置對擬合誤差結果的影響可以在所有 STAR 系統(tǒng)的繪圖中看到。例如，我們可以在 OpticStudio 界面中手動更改擬合設置，并重新加載數據以進行擬合誤差比較。

4. 在 OpticStudio 界面的 STAR 選項卡中，點擊 Fit Assessment

5. 將表面 13 和表面 14 的擬合設置更改為：

· Grid 1：3

· Grid 2：3

· Max Level：9

6. 點擊 OK。

通過STAR用戶分析評估瞬態(tài)性能

加載 FEA 數據集并執(zhí)行其各自的擬合后。現在，我們可以使用相同的技術繼續(xù)分析光學性能。七個 STAR 系統(tǒng)代表不同的溫度條件：分別為 -40°C、60°C、65°C、70°C、75°C、80°C、85°C。以下結果表明，在不同溫度下性能會快速下降。

鏡頭系統(tǒng)在各種熱力條件下的對比度可以通過監(jiān)測 FFT MTF 分析的結果來量化。名義系統(tǒng)的性能會隨著溫度從室溫的變化而迅速下降。在低于和高于室溫的溫度下，性能低于規(guī)格。

FFT 離焦 MTF 也可用于更深入地了解系統(tǒng)性能。對于名義系統(tǒng)，在相對于像面的偏移量為 +/-0.015mm 的位置，200 cyc/mm 空間頻率的 MTF 值，大致高于 0.2。然而，隨著溫度的變化性能峰值會偏移。這會導致在各種熱條件下成像模糊。

另一個觀察 MTF 下降的方法是利用 MTF vs. Field 分析。盡管初始系統(tǒng)性能設計為在 ~45° 的視場下工作，隨著溫度的升高，38° 左右視場的MTF值下降到了 0.2 以下。

對所有系統(tǒng)進行STOP分析

到目前為止，ZOS-API 已被用于評估擬合誤差并輸出不同分析的圖像。在接下來的部分，STAR 用戶分析將用于生成 1D 和 2D 繪圖，以評估不同的性能指標和設計更改以提高系統(tǒng)性能。

為了分析光學系統(tǒng)在整個溫度范圍內的性能，利用用戶分析繪制評價函數操作數對溫度的各種性能指標。用戶分析可以繪制：

1. 一維繪圖

· 自變量：

- 系統(tǒng)編號（例如溫度條件或時間步長）

- MFE 中定義的評價操作數的輸入參數

- 或者使用多重結構并選擇一個 MCE 操作數行，這里的想法是使得繪圖更通用地由一個操作數控制

- X 和 Z 有以下組合，它們能夠在測試下顯示結果。

2. 二維圖

· 響應/因變量 Z 可以是

- MFE 中的評價函數值

- MFE 中定義的特定操作數的評估結果

使用 1D 繪圖針對不同 STAR 系統(tǒng)計算平均 MTF 值情況：

1. 在 OpticStudio 的評價函數編輯器中，在新行中插入一個操作數。

2. 將操作數類型更改為 MTFA，然后輸入以下值：

· 采樣：3（采樣）

· 波長：0（復色）

· 視場：1（軸上視場）

· 頻率：50（空間頻率為 50 個 cyc/mm）

· 網格：0（計算 MTF 的快速采樣積分方法）

· 數據類型：0（返回調制幅度）

· 目標：0

· 權重：0

3. 在 STAR 用戶分析中，點擊設置下拉菜單

4. 將 X 范圍設置更改為 STAR 系統(tǒng)

5. 在評價操作數行中選擇 MTFA

6. 勾選 “Multi Series” 復選框

7. 輸入以下設置

· 在參數下拉菜單中選擇 Par3

- 對于 MTFA 操作數，Par3 代表視場數

- 起始值: 1

- 結束值: 5

- #步數: 5

- 對于 MTFA 操作數，Par3 代表視場數. 這些設置最終進入用戶分析，將視場從 1 更改到 5，并收集平均 MTF 值.

8. 輸入適當的設置后，點擊 OK，然后刷新窗口。

下圖是用戶分析的輸出結果。X 軸顯示代表不同溫度環(huán)境的 STAR 子系統(tǒng)?？v軸是從步驟 2 中定義的 MTFA 操作數中得到的平均 MTF。不同顏色的線代表在步驟 7 中定義的不同視場點。為清楚起見，圖表中添加了額外的標簽。

從用戶分析擴展生成了第二幅繪圖，空間頻率設置為 100 cyc/mm。從兩幅圖中可以清楚地看出，第 4 視場的性能是所有 STAR 子系統(tǒng)中最差的。

使用二維繪圖模擬設計變更并提高系統(tǒng)性能

為了獲得有關可提高系統(tǒng)性能的更改的設計見解，用戶分析可以創(chuàng)建 2D 繪圖以可視化多個系統(tǒng)配置的性能。在此用戶分析中，X 軸代表 STAR 系統(tǒng)，Y 軸代表配置。該分析將用于評估當調整最后一個鏡片和圖像傳感器之間的距離時系統(tǒng)的性能。

要創(chuàng)建 2D 用戶分析圖，請執(zhí)行以下操作：

1. 在多重結構編輯器 (MCE) 中，添加新的操作數行

2. 點擊操作數屬性下拉列表，并將操作數類型更改為 THIC（厚度）

3. 在 Surface 下拉菜單中選擇 16

4. 在 “用戶分析” 窗口中，將 X 范圍更改為 STAR 系統(tǒng)

5. 在 Y 類別下拉列表中，選擇 Configuration

6. 更改以下設置：

· 選擇 THIC

· 起始值：0.285 (mm)

· 結束值：0.365 (mm)

· #步數：10

7. 評價操作數行：MTFA

8. 點擊OK并刷新分析窗口。

生成分別顯示 50 cyc/mm 和 100 cyc/mm 處平均 MTF 的兩張圖。

基于這些圖形，我們可以預測，通過將最后一個鏡片和傳感器之間的距離調整 0.309mm 左右，可以實現更好的平均 MTF 性能，這將在整個溫度范圍內產生最佳的整體性能。

結論

本文展示了如何使用 ZOS-API 功能在 STAR 模塊中自動執(zhí)行操作，以幫助導入 FEA 數據集并生成分析圖。

下一篇文章：Ansys Zemax | 手機鏡頭設計 - 第 4 部分：用 LS-DYNA 進行沖擊性能分析，展示了如何在 Ansys Workbench 中使用 Ansys LS - DYNA 模擬手機攝像頭模塊的跌落測試的顯式動力學。