本文是 3 篇系列文章的一部分，該系列文章將討論智能手機鏡頭模組設(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三部分。它涵蓋了使用 Ansys Zemax OpticStudio Enterprise 版本提供的 STAR 技術(shù)對智能手機鏡頭進行自動的結(jié)構(gòu)、熱、光學(xué)性能 (STOP) 分析。有限元分析數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和擬合過程通過使用 ZOS-API 實現(xiàn)自動化（本文提供了用戶擴展和用戶分析）。通過內(nèi)置分析功能，以及利用 ZOS-API 用戶分析實現(xiàn)的擴展仿真，對不同熱條件下手機鏡頭的熱致結(jié)構(gòu)變形進行光學(xué)性能分析。

在本系列設(shè)計相關(guān)文章連載結(jié)束后，我們也將發(fā)布結(jié)合Ansys全線光學(xué)產(chǎn)品的鏡頭仿真全鏈路系列文章，包含整體 Camera Sensor 后處理的仿真解決方案，可體驗Speos SSS解決方案 和 Speos SSS 傳感器特性與EMVA1288標準和Lumerical傳感器驗證，值得等待！

作者：Julia Zhang, Esteban Carbajal

合作翻譯：Cybernet - 李銳

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(quán)

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(shù)據(jù)導(dǎo)出擴展程序（可選）

簡介

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)對緊迫的時間表。“構(gòu)建并推翻” 的設(shè)計模型形式推高了成本，因為樣機需要在多次迭代中構(gòu)建和測試。精確的多物理場仿真可以幫助工程和設(shè)計團隊預(yù)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(shè)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(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，嚴重影響批量生產(chǎn)后產(chǎn)品的使用。

在手機相機鏡頭模組的設(shè)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(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。此時的表面形狀不再能夠通過已知的參數(shù)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(zhì)量，MTF 值可能也會低于設(shè)計要求，從而導(dǎo)致最終圖像損失對比度而變得模糊。

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(xué)系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)和熱分析，當熱條件和機械負載得到模擬時，輸出的結(jié)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(jié)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(xué)性能。

STAR 用戶擴展程序

為了分析熱致結(jié)構(gòu)變形的影響，共計 14 個結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集可以分配給系統(tǒng)中的透鏡表面。OpticStudio 用戶界面可實現(xiàn)為每個表面單獨分配數(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 個光學(xué)表面和 7 個對應(yīng)時間點，總共有 98 個不同的 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)點擊并避免數(shù)據(jù)分配過程中的錯誤，可通過 ZOS-API 編寫用戶擴展程序，將數(shù)據(jù)加載到當前鏡頭系統(tǒng)。用戶擴展程序可以：

從數(shù)據(jù)集文本文件的名稱中識別表面編號和 FEA 數(shù)據(jù)類型

自動將數(shù)據(jù)集應(yīng)用于正確的表面

自動應(yīng)用所有時間點的數(shù)據(jù)集

如何使用用戶擴展程

1. 選擇保存有限元分析數(shù)據(jù)集的相應(yīng)坐標系

此擴展模塊假定所有 FEA 數(shù)據(jù)集都在同一坐標系中保存

圖 2. STAR 用戶擴展程序中的坐標系控制

2. 要加載FEA數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(wù)必確認內(nèi)部文本文件的格式正確，以避免加載錯誤

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

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(shè)置選項，然后點擊OK。

此用戶擴展對所有調(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. 在擬合評估工具中調(diào)整的擬合設(shè)置

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

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(yīng)用，例如不同的階段（地面、發(fā)射和在軌）、不同的時間（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℃），要求團隊使用多組 FEA 數(shù)據(jù)集。在每個階段將 FEA 數(shù)據(jù)集分配給光學(xué)表面可能既耗時又容易出錯。附件中的用戶擴展處理數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)集：

1. 選擇保存 FEA 數(shù)據(jù)集所在的合適坐標系。

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：

通過用戶擴展，我們只需點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，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，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(shè)置為2，那么Surface_05_Temperature.txt現(xiàn)在將應(yīng)用于表面7。

3. 點擊加載多組有限元分析數(shù)據(jù)。

圖 6. STAR 用戶擴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，選擇存有不同時間點 FEA 數(shù)據(jù)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(gòu)進行保存：{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)將列在一個表中，其中每行代表一個創(chuàng)建的系統(tǒng)。

圖7. 按時間步長組織的有限元分析數(shù)據(jù)集

用戶擴展將每個表面的擬合設(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(gòu)。該擴展僅識別具有以下名稱的 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。每當在加載或擬合過程中出現(xiàn)問題時，報告的擬合誤差為0

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

圖 9. STAR 用戶擴展中的 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...DocumentsemaxConfigs路徑中

Load按鈕將從bin文件中加載擴展中的所有數(shù)據(jù)和相關(guān)設(shè)置。

系統(tǒng)布局圖導(dǎo)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(nèi)經(jīng)歷的變化非常有用。當使用 ZOS-API 擴展執(zhí)行多 FEA 數(shù)據(jù)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...DocumentsemaxMacrosPL 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(shù)據(jù)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(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(dǎo)出到 C:TEMP 中

輸出目錄可以根據(jù)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(jié)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(shù)據(jù)集的質(zhì)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(shè)置項檢查或參數(shù)調(diào)整。

STAR 用戶分析

查看一個系統(tǒng)中所有表面的擬合結(jié)果

一旦 FEA 數(shù)據(jù)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(jié)果總結(jié)。這在處理來自不同時間點的多組數(shù)據(jù)集時提供了更高效的工作流。

1. 要分析多個時間點的結(jié)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(shè)置下拉按鈕。

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

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

右側(cè)面板將改變

5. 更改以下設(shè)置，然后點擊 “OK”：

數(shù)據(jù)：Structural

STAR系統(tǒng)：1

擬合誤差：RMS + PV

圖 11. 擬合評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. 時間點 1 處每個光學(xué)表面的 RMS 和 PV 擬合誤差。每個表面的擬合設(shè)置顯示在左下角

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(xué)表面在所有時間點下的擬合誤差，請點擊 Fit Error / User Plot

右側(cè)面板將改變

2. 更改以下設(shè)置，然后點擊 “OK”：

數(shù)據(jù)：Structural

STAR系統(tǒng)：All

擬合誤差：RMS

圖 13. 對所有系統(tǒng)中所有表面進行擬合評估

3. 點擊 STAR 用戶分析窗口中的更新，將出現(xiàn)繪圖：

圖14. 每個光學(xué)表面的RMS擬合誤差。每條線代表一個單獨的時間點

當前擬合設(shè)置對擬合誤差結(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 界面中手動更改擬合設(shè)置，并重新加載數(shù)據(jù)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(shè)置更改為：

Grid 1：3

Grid 2：3

Max Level：9

6. 點擊 OK。

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

通過STAR用戶分析評估瞬態(tài)性能

加載 FEA 數(shù)據(jù)集并執(zhí)行其各自的擬合后。現(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 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快速下降。

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

圖17. 最大視場的 RMS 半徑。請注意，名義系統(tǒng)的 RMS 半徑為 9.998 μm，然而，該視場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比度可以通過監(jiān)測 FFT MTF 分析的結(jié)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。

圖18. FFT MTF分析的比較。上邊是初始系統(tǒng)性能。下圖顯示了每個溫度點下不同子系統(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(dǎo)致在各種熱條件下成像模糊。

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。

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

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(shè)計更改以提高系統(tǒng)性能。

為了分析光學(xué)系統(tǒng)在整個溫度范圍內(nèi)的性能，利用用戶分析繪制評價函數(shù)操作數(shù)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(shù)的輸入?yún)?shù)

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

- X 和 Z 有以下組合，它們能夠在測試下顯示結(jié)果。

2. 二維圖

響應(yīng)/因變量 Z 可以是

- MFE 中的評價函數(shù)值

- MFE 中定義的特定操作數(shù)的評估結(jié)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(shù)編輯器中，在新行中插入一個操作數(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：0（復(fù)色）

視場：1（軸上視場）

頻率：50（空間頻率為 50 個 cyc/mm）

網(wǎng)格：0（計算 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：0

權(quán)重：0

3. 在 STAR 用戶分析中，點擊設(shè)置下拉菜單

4. 將 X 范圍設(shè)置更改為 STAR 系統(tǒng)

5. 在評價操作數(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

- 對于 MTFA 操作數(shù)，Par3 代表視場數(shù)

- 起始值: 1

- 結(jié)束值: 5

- #步數(shù): 5

- 對于 MTFA 操作數(shù)，Par3 代表視場數(shù). 這些設(shè)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?shù)脑O(shè)置后，點擊 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)。縱軸是從步驟 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 中定義的不同視場點。為清楚起見，圖表中添加了額外的標簽。

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

從用戶分析擴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 軸代表不同的時間點。每個顏色條目代表系統(tǒng)資源管理器中定義的一個不同視場點。視場 4 表現(xiàn)出最差的性能

使用二維繪圖模擬設(shè)計變更并提高系統(tǒng)性能

為了獲得有關(guān)可提高系統(tǒng)性能的更改的設(shè)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(diào)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(jié)構(gòu)編輯器 (MCE) 中，添加新的操作數(shù)行

2. 點擊操作數(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. 評價操作數(shù)行：MTFA

8. 點擊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。

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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

基于這些圖形，我們可以預(yù)測，通過將最后一個鏡片和傳感器之間的距離調(diào)整 0.309mm 左右，可以實現(xiàn)更好的平均 MTF 性能，這將在整個溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生最佳的整體性能。

結(jié)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(dǎo)入 FEA 數(shù)據(jù)集并生成分析圖。

文章來源：本文轉(zhuǎn)載于Ansys光電大本營公眾號