本文是 3 篇系列文章的一部分,该系列文章将讨论智能手机
镜头模组设计的挑战,从概念、设计到制造和结构变形的分析。本文是三部分系列的第三部分。它涵盖了使用 Ansys Zemax OpticStudio Enterprise 版本提供的 STAR 技术对智能手机镜头进行自动的结构、热、
光学性能 (STOP) 分析。有限元分析数据的导入和拟合过程通过使用 ZOS-API 实现自动化(本文提供了用户扩展和用户分析)。通过内置分析功能,以及利用 ZOS-API 用户分析实现的扩展仿真,对不同热条件下手机镜头的热致结构变形进行光学性能分析。(联系我们获取文章附件)
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*. 手机镜头设计 – 第一部分:
光学设计 Y2r}W3F= 手机镜头设计 – 第二部分:使用 OpticsBuilder 实现光机械封装
;qWu8\T+ ~[ufL25K 所需工具
|R}=HsYey cpdESc9W Ansys Zemax OpticStudio 旗舰版
S<0 &V – 或 –
Tv=lr6t8 旧版 Zemax OpticStudio 专业版/旗舰版以及 STAR 模块授权
\Bo%2O%4 FEA 模拟分析工具(Ansys Mechanical 在本示例中使用,作为 FEA 有限元分析软件)
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NJ 6 Ansys Mechanical 数据导出扩展程序(可选)
[YOH'i&X O4R\]B#Xu 简介
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G FzInIif 通常,制造延迟和生产成本增加将导致公司需要寻找方法来维持新产品的交付,以应对紧迫的时间表。“构建并推翻” 的设计模型形式推高了成本,因为样机需要在多次迭代中构建和测试。精确的多物理场仿真可以帮助工程和设计团队预测系统在各种使用情况下的性能,并仿真可能的条件,以在设计阶段了解对系统性能的影响。综合模拟是从一开始就避免浪费时间并节省生产周期成本的方法之一。由于材料在不同温度下性能的变化,物理影响不仅是结构上的,而且是光学上的。这些影响可能很关键,严重影响批量生产后产品的使用。
TjUwe@&Rw 在手机相机镜头模组的设计阶段要考虑的因素之一是,如果手机在温度与室温不同的环境中使用,它是否可按照规格运行。随着温度的变化,
透镜材料膨胀或收缩,导致透镜的表面形状以及材料折射率发生变化,这将使
光线发生偏离。此时的表面形状不再能够通过已知的
参数化多项式来描述,也不再能将各向同性折射率赋予整个透镜几何体。这些变化会影响最终图像,并可能降低图像质量,MTF 值可能也会低于设计要求,从而导致最终图像损失对比度而变得模糊。
oYqHl1cs 光学产品不仅包含光学透镜,还具有机械封装元件,这些元件会因为改变镜片的位置和对镜片施加压力(这是镜片表面变形的另一种方式)而显著影响性能。Ansys Zemax OpticStudio 旗舰版可用于对手机镜头
光学系统进行结构和热分析,当热条件和机械负载得到模拟时,输出的结果可用于量化它们对手机镜头系统的影响。通过将 Ansys Mechanical 的仿真结果加载到 Ansys Zemax OpticStudio 旗舰版进行静态和瞬态仿真,从而建立互操作性以全面了解光学性能。
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N\ STAR 用户扩展程序
E4X6f "-Q+!byh 为了分析热致结构变形的影响,共计 14 个结构数据集可以分配给系统中的透镜表面。OpticStudio 用户界面可实现为每个表面单独分配数据集。
AF'< 图 1. 加载 FEA 数据工具,用于将 FEA 数据集分配给光学表面。
共有 14 个光学表面和 7 个对应时间点,总共有 98 个不同的 FEA 数据集需要分配给正确的光学表面才能全面分析系统。为了减少重复点击并避免数据分配过程中的错误,可通过 ZOS-API 编写用户扩展程序,将数据加载到当前镜头系统。用户扩展程序可以:
:?Ns>#6t 从数据集文本文件的名称中识别表面编号和 FEA 数据类型
_?~%+Oz/ 自动将数据集应用于正确的表面
n28JWkK8 自动应用所有时间点的数据集
Q~N,QMr)k& jWrU'X 如何使用用户扩展程
hXTfmFy{n e5'I W__ 1. 选择保存有限元分析数据集的相应坐标系
42dv3bE" 此扩展模块假定所有 FEA 数据集都在同一坐标系中保存
. &^p@A~ 图 2. STAR 用户扩展程序中的坐标系控制
2. 要加载FEA数据集文本文件,请单击Load FEA
~5KcbGD~ 3. 在弹出的“文件资源管理器”窗口中,选择包含系统数据集的文件夹。
'UlVc2%{ 默认路径与当前镜头文件所在的位置相同
2v{WX 请务必确认内部文本文件的格式正确,以避免加载错误
J,Sa7jv[ 图 3. 从 Ansys Mechanical 通过“导出至STAR扩展”工具保存并整理的FEA数据集。
4. 在 OpticStudio 界面中,打开 STAR 拟合评估工具检查(如果需要,进行修改)拟合设置选项,然后点击OK。
.#( vx; 此用户扩展对所有调整的表面和此 FEA 数据类型应用相同的拟合设置。
y]h0c<NP 报告拟合参数和拟合结果以供核查并保存为 txt 文件。
]m+%y+ 图 4. 在拟合评估工具中调整的拟合设置。
图5. 左-加载和拟合FEA数据集的日志报告,为每个 FEA 数据集报告的 RMS 和 PV 拟合误差范围。
右-输出的文本文件。
!&:=sA 自动化瞬态分析工作流程(多个时间点)
Bj@>iw?g' bZ`v1d
(r 需要在不同阶段或操作模式下进行分析的应用,例如不同的阶段(地面、发射和在轨)、不同的时间(
激光关闭、激光开启 0 秒、激光开启 5 秒、激光开启 5 分钟等)或不同的温度(0℃、25℃、50℃),要求团队使用多组 FEA 数据集。在每个阶段将 FEA 数据集分配给光学表面可能既耗时又容易出错。附件中的用户扩展处理数据分配,并在后台为当前手机镜头添加 STAR 系统。
?bZH Aed 为了载入多个时间点的 FEA 数据集:
CWdsOS= 1. 选择保存 FEA 数据集所在的合适坐标系。
`!]|lI!GW 2. 接下来选择要加载的 FEA 数据类型。在此示例中,我们将使用Structural Only:
V^_A{\GK 通过用户扩展,我们只需点击一下即可轻松加载仅结构数据、仅温度数据或两者兼有的数据。
rB[J*5v 为表面指定数据时,将根据该文本文件的名称应用这些数据,例如,Surface_05_Temperature.txt将应用于表面5。当名义镜头文件中有虚拟表面或其他透镜表面添加镜头数据编辑器中时,还可以进行补偿分配操作,例如,如果在所有镜头元件之前添加了两个表面,并且分配补偿设置为2,那么Surface_05_Temperature.txt现在将应用于表面7。
'_c/CNs 3. 点击加载多组有限元分析数据。
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L[\ 图 6. STAR 用户扩展中的加载多组有限元分析数据按钮。
4. 在弹出的文件资源管理器窗口中,选择存有不同时间点 FEA 数据集的多个文件夹,然后点击 OK。
N5?bflY 在后台会创建初始镜头系统的副本,并以以下命名架构进行保存:{original_lens_filename} + ‘sys'{n}.zos(e.g. 710_reoptimized_MTF_materials_QType_sys6.zos)
<[dcIw<7 具有 FEA 数据集的不同 OpticStudio 系统将列在一个表中,其中每行代表一个创建的系统。
}5
rR^ryA
2zC4nF)>O 图7. 按时间步长组织的有限元分析数据集。
用户扩展将每个表面的拟合设置和FEA数据集的拟合结果保存到与镜头设计文件位于同一目录中的 MultiFEAfitResults.txt。
iWCYK7c@.- 用户扩展遵循 本文 中使用的命名架构。该扩展仅识别具有以下名称的 FEA 数据文件:
26j<>>2 Surface_XX_Temperature
(:l6R9'= Surface_XX_Deformation
FV^jCseZ Surface_XX_Temperature_deformed
}*:3] 如果 FEA 数据集的格式或命名不正确,则在数据加载过程中,OpticStudio 将显示一条错误信息。此外,PV 和 RMS 拟合结果将为 0。
EX]+e 图8. 在此示例中,不受支持的表面类型分配了FEA数据集。
每当在加载或拟合过程中出现问题时,报告的拟合误差为0。
5. 加载 FEA 数据集后,您可以使用 ActiveFEA 列中的复选框来快速验证该特定系统的 STAR 数据或其他性能。
[q9B"@X
qAjtvc2 图 9. STAR 用户扩展中的 ActiveFEA 列。双击该复选框可快速切换到不同的系统。
6. 要想无需重新导入 FEA 数据集而保存进度并返回到过程中,您可以点击 “Save” 按钮。
f+Y4~k mygrid.bin 文件将保存在 C:\Users\…\Documents\Zemax\Configs路径中
{)" 3 Load 按钮将从 bin 文件中加载扩展中的所有数据和相关设置。
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-@> {q/ 7#LIG r 系统布局图导出
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-'A
=j 从各个时间点生成系统视图对于了解系统在整个时间范围内经历的变化非常有用。当使用 ZOS-API 扩展执行多 FEA 数据加载时,会自动生成一个 ZPL,以便将分析图形窗口保存为不同 STAR 系统的图像文件。ZPL 宏保存到 C:\Users\…\Documents\Zemax\Macros\ZPL Image Export.zpl。在此示例中,我们将重点介绍 STAR 系统查看器,以查找可能由有问题的 FEA 数据集引起的任何明显错误。
khy'Y&\F; 打开当前文件路径中的任一 STAR 系统,系统查看器功能仅适用于加载了 FEA 数据的镜头文件。
ob7'''i 在 OpticStudio 界面中,关闭所有图形和分析窗口(即布局图、WFE 图等)
%-n)L 在命令功能区中,点击 STAR选项卡> 系统查看器
{5 dVK 在命令功能区中,点击 “编程”选项卡 > 宏列表 > ZPL Image Export.zpl
*)K
5<}V 宏运行后,图像文件保存在输出目录中。
[:X@|,1V!L 该宏会将表中所列所有系统的图像导出到 C:\TEMP 中
-@N-i$!;J
i~u4v3r= 输出目录可以根据具体喜好和情况修改。
2
}xePX9? 此方法可用于生成其他 STAR 模拟分析结果的对比报告。
^Om}9rXw1 通过使用上述 ZOS-API 功能,我们可以快速了解有限元数据集的质量,并向机械工程师反馈,以便在做有限元分析时进行实际设置项检查或参数调整。
Zl>SeTjB- K6v~!iiK$ STAR 用户分析
^>|ZN2 查看一个系统中所有表面的拟合结果
H{}&|;0 A?YYR%o%' 一旦 FEA 数据集通过用户扩展程序得到分配,单独的用户分析就可以加载并显示所有系统的结果总结。这在处理来自不同时间点的多组数据集时提供了更高效的工作流。
Clf$EX;~ 1. 要分析多个时间点的结果,请在OpticStudio界面的“编程”选项卡中点击 User Analyses > STARUSER_ANALYSIS。
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