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(jī)
鏡頭模組設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，從概念、設(shè)計(jì)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(duì)智能手機(jī)鏡頭進(jìn)行自動(dòng)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(guò)程通過(guò)使用 ZOS-API 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化（本文提供了用戶擴(kuò)展和用戶分析）。通過(guò)內(nèi)置分析功能，以及利用 ZOS-API 用戶分析實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)展仿真，對(duì)不同熱條件下手機(jī)鏡頭的熱致結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行光學(xué)性能分析。（聯(lián)系我們獲取文章附件）
7! b)'W? 手機(jī)鏡頭設(shè)計(jì) – 第一部分：
光學(xué)設(shè)計(jì) 9g&)6,< 手機(jī)鏡頭設(shè)計(jì) – 第二部分：使用 OpticsBuilder 實(shí)現(xiàn)光機(jī)械封裝
76_8e{zbr ssX6kgq_( 所需工具
S5E,f?l .H (}[eG_ Ansys Zemax OpticStudio 旗艦版
iWN.3 |r – 或 –
l`FR.)2h 舊版 Zemax OpticStudio 專業(yè)版/旗艦版以及 STAR 模塊授權(quán)
9Aj gf y> 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）
v>y8s&/ Ansys Mechanical 數(shù)據(jù)導(dǎo)出擴(kuò)展程序（可選）
@@{_[ir o e JC 簡(jiǎn)介
z^!A/a[[! ?V5Pt s 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(lái)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。
? W2I1HEy 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(guò)已知的
參數(shù)化多項(xiàng)式來(lái)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。
Av v 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 旗艦版可用于對(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(guò)將 Ansys Mechanical 的仿真結(jié)果加載到 Ansys Zemax OpticStudio 旗艦版進(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。
:S99}pgY A.$VM# STAR 用戶擴(kuò)展程序
z)W#&JFF g?A5'o&Yu 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。
x)#<.DX 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(guò)程中的錯(cuò)誤，可通過(guò) 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：
]IHD:!Z-= 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
^= izqh5S 自動(dòng)將數(shù)據(jù)集應(yīng)用于正確的表面
$O~F>.* 自動(dòng)應(yīng)用所有時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)集
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4 APQQ:'>N4~ 如何使用用戶擴(kuò)展程
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&)c4 =JbdsYI( 1. 選擇保存有限元分析數(shù)據(jù)集的相應(yīng)坐標(biāo)系
(ju
aDn) 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
)Vg{Y [! 圖 2. STAR 用戶擴(kuò)展程序中的坐標(biāo)系控制
2. 要加載FEA數(shù)據(jù)集文本文件，請(qǐng)單擊Load FEA
>xU72l#5 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。
,p*ntj{ 默認(rèn)路徑與當(dāng)前鏡頭文件所在的位置相同
VO @
4A6 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
xu"94y+ 圖 3. 從 Ansys Mechanical 通過(guò)“導(dǎo)出至STAR擴(kuò)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(píng)估工具檢查（如果需要，進(jìn)行修改）擬合設(shè)置選項(xiàng)，然后點(diǎn)擊OK。
jsqUMy- 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。
^`TKvcgIc 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。
Q Sn;a 4f 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。
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yud 自動(dòng)化瞬態(tài)分析工作流程（多個(gè)時(shí)間點(diǎn)）
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r^90 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)。
vh. Wm?qQ 為了載入多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的 FEA 數(shù)據(jù)集：
mV**9-" 1. 選擇保存 FEA 數(shù)據(jù)集所在的合適坐標(biāo)系。
liugaRO8J 2. 接下來(lái)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：
"9U+h2#] 通過(guò)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)。
eHR &N.2 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。
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3. 點(diǎn)擊加載多組有限元分析數(shù)據(jù)。
*@ <8&M9x 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。
>ggk> s| 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)
%2Xus9;k# 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)。
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cYq' ]$] 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。
M!&_qj&N, 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：
e8XM=$@ Surface_XX_Temperature
Y-Ziyy Surface_XX_Deformation
.-('C> @ Surface_XX_Temperature_deformed
0okO+QU,a 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(guò)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。
,u ?wYW; 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(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)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(lái)快速驗(yàn)證該特定系統(tǒng)的 STAR 數(shù)據(jù)或其他性能。
C}(<PN T 
Lo|NE[b:G 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(wú)需重新導(dǎo)入 FEA 數(shù)據(jù)集而保存進(jìn)度并返回到過(guò)程中，您可以點(diǎn)擊 “Save” 按鈕。
Nl=m'4 @` mygrid.bin 文件將保存在 C:\Users\…\Documents\Zemax\Configs路徑中
e'k;A{Oh 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。
{ (m+M 
)){PBT}t] #sz ]PZ\ 系統(tǒng)布局圖導(dǎo)出
>0Fxyv8 ~8H&m,{j 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(wèn)題的 FEA 數(shù)據(jù)集引起的任何明顯錯(cuò)誤。
r3+<r<gs 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。
_KSfP7VU 在 OpticStudio 界面中，關(guān)閉所有圖形和分析窗口（即布局圖、WFE 圖等）
#/n|@z' 在命令功能區(qū)中，點(diǎn)擊 STAR選項(xiàng)卡> 系統(tǒng)查看器
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