本系列文章將討論智能手機(jī)鏡頭模塊設(shè)計的挑戰(zhàn)，從概念、設(shè)計到制造和結(jié)構(gòu)變形的分析。本文是三部分系列的第二部分。概括介紹了如何在CAD中編輯光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)元件以及如何在添加機(jī)械元件后使用Zemax OpticsBuilder分析系統(tǒng)。展示案例是來自全球運(yùn)營制造商的智能手機(jī)鏡頭系統(tǒng)，該系統(tǒng)由五個鏡片、一個蓋板玻璃和一個紅外濾光片組成。主要目的是給這些鏡片擴(kuò)展復(fù)雜邊緣，以便于將它們安裝在機(jī)械部件上。此外，文章還介紹了如何使用光機(jī)械驗(yàn)證工具Zemax OpticsBuilder來添加和調(diào)整機(jī)械組件。
在OpticStudio中優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)后，通過Prepare for OpticsBuilder工具將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為.ZBD文件。
當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)通過 Prepare for OpticsBuilder 工具被轉(zhuǎn)換為.ZBD文件時有幾點(diǎn)需要考慮。首先，由于OpticsBuilder的光線追跡工具是基于OpticStudio的非序列光線追跡引擎，因此序列光學(xué)系統(tǒng)首先應(yīng)轉(zhuǎn)換為非序列系統(tǒng)，然后再轉(zhuǎn)換為.ZBD文件。如果Prepare for OpticsBuilder工具是在非序列模式中使用，則光學(xué)系統(tǒng)將直接轉(zhuǎn)換為.ZBD文件。
其次，在Prepare for OpticsBuilder工具的用戶輸入部分，如果機(jī)械工程師有權(quán)編輯核心光學(xué)屬性，則應(yīng)取消勾選Read-only框。
此外，OpitcStudio用戶還可以在工具設(shè)置中編輯各種系統(tǒng)性能所允許的改變量，以便限定光機(jī)械設(shè)計所允許對于光學(xué)系統(tǒng)性能影響的極限情況（在下一節(jié)中進(jìn)一步解釋）。
第一步，將.ZBD文件導(dǎo)入CAD平臺（示例為Creo Parametric 7），驗(yàn)證初始光學(xué)系統(tǒng)，然后計劃后續(xù)步驟。
零件清單：
紅外濾光片（A）
透鏡（LB）
透鏡（LC）
透鏡（LD）
透鏡（LE）
透鏡（LF）
蓋板玻璃（G）
擴(kuò)展透鏡邊緣的幾何先決條件是，給定的機(jī)械隔圈必須在它們之間裝配，并且支撐光學(xué)系統(tǒng)的主安裝座（在本文中稱為鏡筒）應(yīng)盡可能少地進(jìn)行編輯。理想情況下，鏡筒應(yīng)僅延伸到可以容納紅外濾光片（A）和蓋板玻璃（G）的區(qū)域。
下一步，通過執(zhí)行仿真來查看光學(xué)性能，即光斑尺寸、光束遮擋和像面污染。由于沒有對系統(tǒng)進(jìn)行任何更改，因此所有指標(biāo)都應(yīng)滿足允許的改變量規(guī)范，并應(yīng)顯示綠色復(fù)選標(biāo)記。
之后，可以設(shè)計復(fù)雜的透鏡邊緣了。
添加復(fù)雜透鏡邊緣
經(jīng)典的機(jī)械裝配邊緣可以在OpticsBuilder中使用Add Mounting Edge功能直接添加，要給透鏡添加復(fù)雜的裝配邊緣，可以使用Creo參數(shù)化原生草圖工具。
要編輯第一組透鏡，可以以單獨(dú)的文件打開它們（Assembly選項(xiàng)卡>右鍵單擊零件>打開）。之后，在透鏡的側(cè)面繪制額外的草圖。通過附加一條中心線到透鏡的光軸上，可以將添加的草圖圍繞透鏡進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
下一步，修改后的透鏡被重新插入到裝配體中，因此可以通過與相鄰?fù)哥R和鏡筒相比較直接修改草圖來完成復(fù)雜邊緣的微調(diào)（鏡筒可以預(yù)先添加進(jìn)來，因?yàn)檫@使得復(fù)雜透鏡邊緣的微調(diào)更容易）。
就像在下圖中標(biāo)記出的，仍有為隔圈保留的間隙。這些是在下一章節(jié)中實(shí)現(xiàn)的結(jié)果。
添加和調(diào)整機(jī)械部件
由于四個隔圈是現(xiàn)成的組件，因此可以使用Creo參數(shù)化原生插入工具（Model Tab -> Assemble -> Assemble A）將其直接插入到光機(jī)械裝配體中。之后，可以使用Object Placement工具將其直接定位。
鏡筒和前擋圈需要稍作修改，以便機(jī)械組件可以模擬OpticStudio中定義的光學(xué)孔徑，并且光束遮擋可以保持在最低限度。在下圖（A部分）中看到紫色的遮擋光束和右側(cè)（B部分），由于鏡筒上的機(jī)械孔徑直徑略有增加，新模擬的光機(jī)械系統(tǒng)沒有任何可見的遮擋光束。
經(jīng)過初次目視檢查后，可以使用OpticsBuilder分析工具深入分析光學(xué)性能。
用OpticsBuilder進(jìn)行光學(xué)性能分析
為了使用OpticsBuilder分析工具驗(yàn)證光機(jī)械系統(tǒng)，可以研究三個改變量并與基線值相比較（如下所述）。
光斑尺寸
光斑尺寸改變量是根據(jù)OpticsBuilder基線構(gòu)型和OpticsBuilder修改后構(gòu)型之間的差異絕對值計算得出的。而OB基線構(gòu)型僅包含光學(xué)和光闌表面，修改后構(gòu)型還包含機(jī)械幾何體。由于光斑尺寸具有綠色復(fù)選標(biāo)記，因此修改后構(gòu)型與基線構(gòu)型具有相同（或者差異可忽略）的光斑尺寸值。
光束遮擋 1.04%
在OpticsBuilder基線構(gòu)型中擊中探測器，而在OpticsBuilder修改構(gòu)型中未擊中任何探測器的光線，被視為遮擋光線。因此，遮擋光線百分比的定義方法是將 OpticsBuilder修改構(gòu)型中未擊中探測器的光通量除以在 OpticsBuilder基線構(gòu)型中擊中探測器的光通量乘以100。由于擋圈應(yīng)阻止光線通過裝配體的上部傳播，因此該系統(tǒng)允許少量光束遮擋。
像面污染
當(dāng)追跡光線在OpticsBuilder修改構(gòu)型中通過意外路徑到達(dá)探測器時，它們會導(dǎo)致像面污染。意外路徑是指在OpticsBuilder基線構(gòu)型光線追跡中不存在的任何路徑。在上面的圖片中，導(dǎo)致像面污染的光線標(biāo)記為橙色。像面污染量可以忽略不計，因此結(jié)果窗口中的像面污染改變量為綠色復(fù)選標(biāo)記。
探測器查看器
此外，對于改變量，CAD用戶還可以研究光斑特征的實(shí)際變化。非順序 OpticStudio文件中的初始光斑被視為OpticsBuilder的基線，當(dāng)前輸出包含了機(jī)械組件的影響。在下面的圖像中，可以看到視場3的情況。
下一步，可以與光學(xué)工程師一起審查光機(jī)械系統(tǒng)并分析光學(xué)性能特性。如果需要，既可以使用CAD系統(tǒng)改進(jìn)光機(jī)械系統(tǒng)，然后通過 Export .ZBD file（*1）導(dǎo)回OpticStudio，也可以宣告完成并后續(xù)發(fā)送。
（*1）這里需要注意的重要一點(diǎn)是，由于光學(xué)元件是使用CAD特征編輯的，因此它們不再僅僅是光學(xué)組件。因此，它們可以被定義為OpticStudio非序列模式中的CAD零件：Creo Parametric或 CAD 零件：STEP。
如果光學(xué)和機(jī)械工程師都聲稱光機(jī)械系統(tǒng)已完成，則可以將系統(tǒng)從Creo Parametric導(dǎo)出為STEP裝配體，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到FEA軟件（如Ansys Mechanical），以便為OpticStudio STAR模塊生成FEA數(shù)據(jù)集。這些步驟在本系列文章的第三部分進(jìn)行詳細(xì)闡述。