通常，制造延遲和生產(chǎn)成本增加將導(dǎo)致公司需要尋找方法來維持新產(chǎn)品的交付，以應(yīng)對(duì)緊迫的時(shí)間表?！皹?gòu)建并推翻” 的設(shè)計(jì)模型形式推高了成本，因?yàn)闃訖C(jī)需要在多次迭代中構(gòu)建和測(cè)試。精確的多物理場(chǎng)仿真可以幫助工程和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)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(shè)計(jì)階段了解對(duì)系統(tǒng)性能的影響。綜合模擬是從一開始就避免浪費(fèi)時(shí)間并節(jié)省生產(chǎn)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(jié)構(gòu)上的，而且是光學(xué)上的。這些影響可能很關(guān)鍵，嚴(yán)重影響批量生產(chǎn)后產(chǎn)品的使用。

在手機(jī)相機(jī)鏡頭模組的設(shè)計(jì)階段要考慮的因素之一是，如果手機(jī)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(yùn)行。隨著溫度的變化，透鏡材料膨脹或收縮，導(dǎo)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(shí)的表面形狀不再能夠通過已知的參數(shù)化多項(xiàng)式來描述，也不再能將各向同性折射率賦予整個(gè)透鏡幾何體。這些變化會(huì)影響最終圖像，并可能降低圖像質(zhì)量，MTF 值可能也會(huì)低于設(shè)計(jì)要求，從而導(dǎo)致最終圖像損失對(duì)比度而變得模糊。

光學(xué)產(chǎn)品不僅包含光學(xué)透鏡，還具有機(jī)械封裝元件，這些元件會(huì)因?yàn)楦淖冪R片的位置和對(duì)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(duì)手機(jī)鏡頭光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和熱分析，當(dāng)熱條件和機(jī)械負(fù)載得到模擬時(shí)，輸出的結(jié)果可用于量化它們對(duì)手機(jī)鏡頭系統(tǒng)的影響。通過將 Ansys Mechanical 的仿真結(jié)果加載到 Ansys Zemax OpticStudio 企業(yè)版進(jìn)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(xué)性能。

為了分析熱致結(jié)構(gòu)變形的影響，共計(jì) 14 個(gè)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集可以分配給系統(tǒng)中的透鏡表面。OpticStudio 用戶界面可實(shí)現(xiàn)為每個(gè)表面單獨(dú)分配數(shù)據(jù)集。

圖 1. 加載 FEA 數(shù)據(jù)工具，用于將 FEA 數(shù)據(jù)集分配給光學(xué)表面

共有 14 個(gè)光學(xué)表面和 7 個(gè)對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)，總共有 98 個(gè)不同的 FEA 數(shù)據(jù)集需要分配給正確的光學(xué)表面才能全面分析系統(tǒng)。為了減少重復(fù)點(diǎn)擊并避免數(shù)據(jù)分配過程中的錯(cuò)誤，可通過 ZOS-API 編寫用戶擴(kuò)展程序，將數(shù)據(jù)加載到當(dāng)前鏡頭系統(tǒng)。用戶擴(kuò)展程序可以：

◆?從數(shù)據(jù)集文本文件的名稱中識(shí)別表面編號(hào)和 FEA 數(shù)據(jù)類型

◆?自動(dòng)將數(shù)據(jù)集應(yīng)用于正確的表面

◆?自動(dòng)應(yīng)用所有時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)集

如何使用用戶擴(kuò)展程

1. 選擇保存有限元分析數(shù)據(jù)集的相應(yīng)坐標(biāo)系

●?此擴(kuò)展模塊假定所有 FEA 數(shù)據(jù)集都在同一坐標(biāo)系中保存

圖 2. STAR 用戶擴(kuò)展程序中的坐標(biāo)系控制

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

◆?默認(rèn)路徑與當(dāng)前鏡頭文件所在的位置相同

◆?請(qǐng)務(wù)必確認(rèn)內(nèi)部文本文件的格式正確，以避免加載錯(cuò)誤

圖 3. 從 Ansys Mechanical 通過“導(dǎo)出至STAR擴(kuò)展”工具保存并整理的FEA數(shù)據(jù)集

◆?此用戶擴(kuò)展對(duì)所有調(diào)整的表面和此 FEA 數(shù)據(jù)類型應(yīng)用相同的擬合設(shè)置。

◆?報(bào)告擬合參數(shù)和擬合結(jié)果以供核查并保存為 txt 文件。

圖 4. 在擬合評(píng)估工具中調(diào)整的擬合設(shè)置

圖5. 左-加載和擬合FEA數(shù)據(jù)集的日志報(bào)告，為每個(gè) FEA 數(shù)據(jù)集報(bào)告的 RMS 和 PV 擬合誤差范圍。右-輸出的文本文件

自動(dòng)化瞬態(tài)分析工作流程（多個(gè)時(shí)間點(diǎn)）

需要在不同階段或操作模式下進(jìn)行分析的應(yīng)用，例如不同的階段（地面、發(fā)射和在軌）、不同的時(shí)間（激光關(guān)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(tuán)隊(duì)使用多組 FEA 數(shù)據(jù)集。在每個(gè)階段將 FEA 數(shù)據(jù)集分配給光學(xué)表面可能既耗時(shí)又容易出錯(cuò)。附件中的用戶擴(kuò)展處理數(shù)據(jù)分配，并在后臺(tái)為當(dāng)前手機(jī)鏡頭添加 STAR 系統(tǒng)。

為了載入多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的 FEA 數(shù)據(jù)集：

1. 選擇保存 FEA 數(shù)據(jù)集所在的合適坐標(biāo)系。

2. 接下來選擇要加載的 FEA 數(shù)據(jù)類型。在此示例中，我們將使用Structural Only：

? ? ●?通過用戶擴(kuò)展，我們只需點(diǎn)擊一下即可輕松加載僅結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、僅溫度數(shù)據(jù)或兩者兼有的數(shù)據(jù)。

? ? ●?為表面指定數(shù)據(jù)時(shí)，將根據(jù)該文本文件的名稱應(yīng)用這些數(shù)據(jù)，例如，Surface_05_Temperature.txt將應(yīng)用于表面5。當(dāng)名義鏡頭文件中有虛擬表面或其他透鏡表面添加鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中時(shí)，還可以進(jìn)行補(bǔ)償分配操作，例如，如果在所有鏡頭元件之前添加了兩個(gè)表面，并且分配補(bǔ)償設(shè)置為2，那么Surface_05_Temperature.txt現(xiàn)在將應(yīng)用于表面7。

3. 點(diǎn)擊加載多組有限元分析數(shù)據(jù)。

圖 6. STAR 用戶擴(kuò)展中的加載多組有限元分析數(shù)據(jù)按鈕

4. 在彈出的文件資源管理器窗口中，選擇存有不同時(shí)間點(diǎn) FEA 數(shù)據(jù)集的多個(gè)文件夾，然后點(diǎn)擊 OK。

●?在后臺(tái)會(huì)創(chuàng)建初始鏡頭系統(tǒng)的副本，并以以下命名架構(gòu)進(jìn)行保存：{original_lens_filename} + 'sys'{n}.zos(e.g. 710_reoptimized_MTF_materials_QType_sys6.zos)

●?具有 FEA 數(shù)據(jù)集的不同 OpticStudio 系統(tǒng)將列在一個(gè)表中，其中每行代表一個(gè)創(chuàng)建的系統(tǒng)。

圖7. 按時(shí)間步長(zhǎng)組織的有限元分析數(shù)據(jù)集

◆?用戶擴(kuò)展將每個(gè)表面的擬合設(shè)置和FEA數(shù)據(jù)集的擬合結(jié)果保存到與鏡頭設(shè)計(jì)文件位于同一目錄中的 MultiFEAfitResults.txt。

◆?用戶擴(kuò)展遵循 本文 中使用的命名架構(gòu)。該擴(kuò)展僅識(shí)別具有以下名稱的 FEA 數(shù)據(jù)文件：

- Surface_XX_Temperature

- Surface_XX_Deformation

- Surface_XX_Temperature_deformed

◆?如果 FEA 數(shù)據(jù)集的格式或命名不正確，則在數(shù)據(jù)加載過程中，OpticStudio 將顯示一條錯(cuò)誤信息。此外，PV 和 RMS 擬合結(jié)果將為 0。

圖8. 在此示例中，不受支持的表面類型分配了FEA數(shù)據(jù)集。每當(dāng)在加載或擬合過程中出現(xiàn)問題時(shí)，報(bào)告的擬合誤差為0

5. 加載 FEA 數(shù)據(jù)集后，您可以使用 ActiveFEA 列中的復(fù)選框來快速驗(yàn)證該特定系統(tǒng)的 STAR 數(shù)據(jù)或其他性能。

圖 9. STAR 用戶擴(kuò)展中的 ActiveFEA 列。雙擊該復(fù)選框可快速切換到不同的系統(tǒng)

6. 要想無需重新導(dǎo)入 FEA 數(shù)據(jù)集而保存進(jìn)度并返回到過程中，您可以點(diǎn)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(kuò)展中的所有數(shù)據(jù)和相關(guān)設(shè)置。

從各個(gè)時(shí)間點(diǎn)生成系統(tǒng)視圖對(duì)于了解系統(tǒng)在整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)經(jīng)歷的變化非常有用。當(dāng)使用 ZOS-API 擴(kuò)展執(zhí)行多 FEA 數(shù)據(jù)加載時(shí)，會(huì)自動(dòng)生成一個(gè) 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(diǎn)介紹 STAR 系統(tǒng)查看器，以查找可能由有問題的 FEA 數(shù)據(jù)集引起的任何明顯錯(cuò)誤。

打開當(dāng)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(shù)據(jù)的鏡頭文件。

在 OpticStudio 界面中，關(guān)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(diǎn)擊?STAR選項(xiàng)卡> 系統(tǒng)查看器

在命令功能區(qū)中，點(diǎn)擊 “編程”選項(xiàng)卡 > 宏列表 >?ZPL Image Export.zpl

●?宏運(yùn)行后，圖像文件保存在輸出目錄中。

- 該宏會(huì)將表中所列所有系統(tǒng)的圖像導(dǎo)出到 C:\TEMP 中

此方法可用于生成其他 STAR 模擬分析結(jié)果的對(duì)比報(bào)告。

通過使用上述 ZOS-API 功能，我們可以快速了解有限元數(shù)據(jù)集的質(zhì)量，并向機(jī)械工程師反饋，以便在做有限元分析時(shí)進(jìn)行實(shí)際設(shè)置項(xiàng)檢查或參數(shù)調(diào)整。

一旦 FEA 數(shù)據(jù)集通過用戶擴(kuò)展程序得到分配，單獨(dú)的用戶分析就可以加載并顯示所有系統(tǒng)的結(jié)果總結(jié)。這在處理來自不同時(shí)間點(diǎn)的多組數(shù)據(jù)集時(shí)提供了更高效的工作流。

1. 要分析多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的結(jié)果，請(qǐng)?jiān)贠pticStudio界面的“編程”選項(xiàng)卡中點(diǎn)擊?User Analyses > STARUSER_ANALYSIS。

2. 在STAR用戶分析中，點(diǎn)擊設(shè)置下拉按鈕。

圖10. 出現(xiàn) STAR 用戶分析窗口。點(diǎn)擊設(shè)置下拉菜單以打開設(shè)置窗口

4. 要檢查一個(gè)系統(tǒng)中所有光學(xué)表面的擬合結(jié)果，請(qǐng)點(diǎn)擊?Check Fit Error/User Plot

●?右側(cè)面板將改變

5. 更改以下設(shè)置，然后點(diǎn)擊 “OK”：

●?數(shù)據(jù)：Structural

●?STAR系統(tǒng)：1

●?擬合誤差：RMS + PV

圖 11. 擬合評(píng)估面板使您能夠一次顯示系統(tǒng)中所有光學(xué)表面上的擬合誤差

圖 12. 時(shí)間點(diǎn) 1 處每個(gè)光學(xué)表面的 RMS 和 PV 擬合誤差。每個(gè)表面的擬合設(shè)置顯示在左下角

顯示所有表面和所有時(shí)間點(diǎn)的RMS擬合誤差

1. 要顯示所有光學(xué)表面在所有時(shí)間點(diǎn)下的擬合誤差，請(qǐng)點(diǎn)擊 Fit Error / User Plot

●?右側(cè)面板將改變

2. 更改以下設(shè)置，然后點(diǎn)擊 “OK”：

●?數(shù)據(jù)：Structural

●?STAR系統(tǒng)：All

●?擬合誤差：RMS

圖 13. 對(duì)所有系統(tǒng)中所有表面進(jìn)行擬合評(píng)估

圖14. 每個(gè)光學(xué)表面的RMS擬合誤差。每條線代表一個(gè)單獨(dú)的時(shí)間點(diǎn)

當(dāng)前擬合設(shè)置對(duì)擬合誤差結(jié)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(dòng)更改擬合設(shè)置，并重新加載數(shù)據(jù)以進(jìn)行擬合誤差比較。

4. 在 OpticStudio 界面的 STAR 選項(xiàng)卡中，點(diǎn)擊?Fit Assessment

5. 將表面 13 和表面 14 的擬合設(shè)置更改為：

●?Grid 1：3

●?Grid 2：3

●?Max Level：9

圖15. 更新的每個(gè)系統(tǒng)中所有光學(xué)表面的 RMS 擬合誤差。請(qǐng)注意，與圖 14 相比 Y 軸發(fā)生了變化

加載 FEA 數(shù)據(jù)集并執(zhí)行其各自的擬合后?，F(xiàn)在，我們可以使用相同的技術(shù)繼續(xù)分析光學(xué)性能。七個(gè) 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(jié)果表明，在不同溫度下性能會(huì)快速下降。

圖16. 初始系統(tǒng)和 STAR 系統(tǒng)之間的點(diǎn)列圖分析比較。上圖為初始系統(tǒng)性能。下圖顯示了每個(gè)溫度點(diǎn)的性能

圖17. 最大視場(chǎng)的 RMS 半徑。請(qǐng)注意，名義系統(tǒng)的 RMS 半徑為 9.998 μm，然而，該視場(chǎng)的光斑半徑比初始尺寸增加到了近 8 倍

鏡頭系統(tǒng)在各種熱力條件下的對(duì)比度可以通過監(jiān)測(cè) FFT MTF 分析的結(jié)果來量化。名義系統(tǒng)的性能會(huì)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。

點(diǎn)擊圖片跳轉(zhuǎn)原文即可觀看動(dòng)圖

圖18. FFT MTF分析的比較。上邊是初始系統(tǒng)性能。下圖顯示了每個(gè)溫度點(diǎn)下不同子系統(tǒng)的FFT MTF

FFT 離焦 MTF 也可用于更深入地了解系統(tǒng)性能。對(duì)于名義系統(tǒng)，在相對(duì)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(huì)偏移。這會(huì)導(dǎo)致在各種熱條件下成像模糊。

點(diǎn)擊圖片跳轉(zhuǎn)原文即可觀看動(dòng)圖

圖19. FFT離焦MTF比較。上邊是初始系統(tǒng)性能。下圖演示了應(yīng)用了FEA數(shù)據(jù)集的子系統(tǒng)性能

另一個(gè)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(shè)計(jì)為在 ~45° 的視場(chǎng)下工作，隨著溫度的升高，38° 左右視場(chǎng)的MTF值下降到了 0.2 以下。

點(diǎn)擊圖片跳轉(zhuǎn)原文即可觀看動(dòng)圖

圖 20. MTF vs. Field 分析。初始系統(tǒng)設(shè)計(jì)為具有 ~45° 的 FOV。左圖為初始系統(tǒng)性能。右圖是在不同溫度點(diǎn)下的系統(tǒng)性能

到目前為止，ZOS-API 已被用于評(píng)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(píng)估不同的性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)更改以提高系統(tǒng)性能。

為了分析光學(xué)系統(tǒng)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的性能，利用用戶分析繪制評(píng)價(jià)函數(shù)操作數(shù)對(duì)溫度的各種性能指標(biāo)。用戶分析可以繪制：

1. 一維繪圖

●?自變量：

- 系統(tǒng)編號(hào)（例如溫度條件或時(shí)間步長(zhǎng)）

- MFE 中定義的評(píng)價(jià)操作數(shù)的輸入?yún)?shù)

- 或者使用多重結(jié)構(gòu)并選擇一個(gè) MCE 操作數(shù)行，這里的想法是使得繪圖更通用地由一個(gè)操作數(shù)控制

- X 和 Z 有以下組合，它們能夠在測(cè)試下顯示結(jié)果。

2. 二維圖

●?響應(yīng)/因變量 Z 可以是

- MFE 中的評(píng)價(jià)函數(shù)值

- MFE 中定義的特定操作數(shù)的評(píng)估結(jié)果

使用 1D 繪圖針對(duì)不同 STAR 系統(tǒng)計(jì)算平均 MTF 值情況：

1. 在 OpticStudio 的評(píng)價(jià)函數(shù)編輯器中，在新行中插入一個(gè)操作數(shù)。

2. 將操作數(shù)類型更改為 MTFA，然后輸入以下值：

●?采樣：3（采樣）

●?波長(zhǎng)：0（復(fù)色）

●?視場(chǎng)：1（軸上視場(chǎng)）

●?頻率：50（空間頻率為 50 個(gè) cyc/mm）

●?網(wǎng)格：0（計(jì)算 MTF 的快速采樣積分方法）

●?數(shù)據(jù)類型：0（返回調(diào)制幅度）

●?目標(biāo)：0

●?權(quán)重：0

3. 在 STAR 用戶分析中，點(diǎn)擊設(shè)置下拉菜單

4. 將 X 范圍設(shè)置更改為 STAR 系統(tǒng)

5. 在評(píng)價(jià)操作數(shù)行中選擇 MTFA

6. 勾選 “Multi Series” 復(fù)選框

7. 輸入以下設(shè)置

●?在參數(shù)下拉菜單中選擇 Par3

- 對(duì)于 MTFA 操作數(shù)，Par3 代表視場(chǎng)數(shù)

- 起始值: 1

- 結(jié)束值: 5

- #步數(shù): 5

- 對(duì)于 MTFA 操作數(shù)，Par3 代表視場(chǎng)數(shù). 這些設(shè)置最終進(jìn)入用戶分析，將視場(chǎng)從 1 更改到 5，并收集平均 MTF 值.

8. 輸入適當(dāng)?shù)脑O(shè)置后，點(diǎn)擊 OK，然后刷新窗口。

下圖是用戶分析的輸出結(jié)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(shù)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(chǎng)點(diǎn)。為清楚起見，圖表中添加了額外的標(biāo)簽。

圖 21. 50 cyc/mm處的 MTFA 分析。X 軸代表不同的時(shí)間點(diǎn)。每個(gè)顏色條目代表在系統(tǒng)資源管理器中定義的一個(gè)不同視場(chǎng)點(diǎn)。視場(chǎng) 4 表現(xiàn)出最差的性能

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

圖 22. 100 cyc/mm 的 MTFA 分析。X 軸代表不同的時(shí)間點(diǎn)。每個(gè)顏色條目代表系統(tǒng)資源管理器中定義的一個(gè)不同視場(chǎng)點(diǎn)。視場(chǎng) 4 表現(xiàn)出最差的性能

為了獲得有關(guān)可提高系統(tǒng)性能的更改的設(shè)計(jì)見解，用戶分析可以創(chuàng)建 2D 繪圖以可視化多個(gè)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(píng)估當(dāng)調(diào)整最后一個(gè)鏡片和圖像傳感器之間的距離時(shí)系統(tǒng)的性能。

要?jiǎng)?chuàng)建 2D 用戶分析圖，請(qǐng)執(zhí)行以下操作：

1. 在多重結(jié)構(gòu)編輯器 (MCE) 中，添加新的操作數(shù)行

2. 點(diǎn)擊操作數(shù)屬性下拉列表，并將操作數(shù)類型更改為 THIC（厚度）

3. 在 Surface 下拉菜單中選擇 16

圖 23. 為表面 16 定義了 THIC 操作數(shù)的 MCE。這使得 STAR 用戶分析能夠改變最后一個(gè)光學(xué)表面和像面之間的距離，從而模擬光學(xué)器件和傳感器之間的距離改變

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(shè)置：

●?選擇 THIC

●?起始值：0.285 (mm)

●?結(jié)束值：0.365 (mm)

●?#步數(shù)：10

7. 評(píng)價(jià)操作數(shù)行：MTFA

8. 點(diǎn)擊OK并刷新分析窗口。

圖 24. STAR 用戶分析設(shè)置，用于生成 MTFA 的 2D 繪圖

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

圖 25. 通過 STAR 用戶分析生成的 2D 圖。繪制的 MTFA 相關(guān)于系統(tǒng)編號(hào)和 MCE 中定義的 THIC 操作數(shù)。左圖為 50 cyc/mm的 MTFA。右圖是 100 cyc/mm 的 MTFA

本文展示了如何使用 ZOS-API 功能在 STAR 模塊中自動(dòng)執(zhí)行操作，以幫助導(dǎo)入 FEA 數(shù)據(jù)集并生成分析圖。