鏡頭光機(jī)熱耦合仿真分析流程介紹

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分析背景說明

鏡頭現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于各類產(chǎn)品中，例如我們使用最多的手機(jī)、汽車或者時(shí)下流行的無人機(jī)，而在平時(shí)生活的城市中布置的安防攝像頭讓我們始終處于安全的管控之中，這些都離不開鏡頭的使用。所以鏡頭良好的成像性能至關(guān)重要，如何讓微小的鏡頭呈現(xiàn)出完美的成像質(zhì)量是鏡頭行業(yè)共同的追求。

眾所周知在實(shí)際的鏡頭設(shè)計(jì)中，我們通過各類光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行鏡頭成像的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并達(dá)到完美的參數(shù)指標(biāo)，但是一旦到了開?；蛘呓M裝試制階段就會(huì)出現(xiàn)光學(xué)質(zhì)量不如預(yù)期設(shè)計(jì)的理想結(jié)果。這是分別由于幾點(diǎn)原因造成，首先因?yàn)檠b配導(dǎo)致的鏡頭發(fā)生變形或者位移，其次因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境溫度影響導(dǎo)致的熱脹冷縮。

為了解決這個(gè)問題就必須引入Ansys Mechanical結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)鏡頭的裝配和溫度工況進(jìn)行模擬分析，得到鏡頭變形數(shù)據(jù)結(jié)果，在通過Zemax的STAR模型進(jìn)行耦合，將鏡頭的結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)導(dǎo)入到鏡頭設(shè)計(jì)軟件中在實(shí)際工況下進(jìn)行新一輪的鏡頭設(shè)計(jì)和優(yōu)化；

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分析目的

本文對(duì)鏡頭行業(yè)的實(shí)際需求出發(fā)，結(jié)合Ansys Mechanical和Zemax兩款軟件，針對(duì)鏡頭行業(yè)中的鏡頭成像和裝配使用之后的實(shí)際變化的兩相結(jié)合，介紹整體的分析流程。

在本案例中，我們以車載鏡頭為例，介紹鏡頭結(jié)構(gòu)分析以及結(jié)果擬合導(dǎo)入光學(xué)軟件的流程。

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分析模型和分析條件

我們?cè)O(shè)定模型在裝配的位置有初始的干涉，可以通過摩擦接觸方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)擠壓的分析，同時(shí)設(shè)定整體的溫度環(huán)境，模型熱膨脹效應(yīng)。

同時(shí)，由于定義熱膨脹的分析環(huán)境，所以與熱相關(guān)的參數(shù)至關(guān)重要，涉及擠壓和熱膨脹分析的材料如下圖所示：

此外，還可以通過結(jié)構(gòu)熱仿真或者Ansys Fluent流體軟件計(jì)算鏡頭的整體溫度分布，不同的溫度分布將會(huì)影響結(jié)構(gòu)的變化以及鏡頭的折射率，流程如下圖所示：

計(jì)算分析結(jié)果如下圖所示，左邊為變形結(jié)果，右邊為溫度分布結(jié)果

在得到仿真變形的基礎(chǔ)上，我們通過STAR模塊擬合兩者的結(jié)果，將結(jié)果的面型數(shù)據(jù)導(dǎo)入至Zemax

在Mechanical一端，我們只需要安裝上對(duì)應(yīng)的STAR ACT，在軟件的工具條中就會(huì)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的目錄

我們只需要通過工具欄里的提示步驟完整對(duì)應(yīng)的操作就能得到仿真分析之后的dat檔結(jié)果

在最終的Zemax中呈現(xiàn)仿真之后的鏡片結(jié)果

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結(jié)論

通過STAR模塊，我們能夠完成FEA數(shù)據(jù)與光學(xué)表面準(zhǔn)確匹配，并讓其精確地反映到光學(xué)模型上，改善光學(xué)分析的準(zhǔn)確性。STAR模塊能使用戶將FEA數(shù)據(jù)載入到OpticStudio并評(píng)估對(duì)其設(shè)計(jì)的光學(xué)性能的影響，從而優(yōu)化STOP分析工作流。記錄哪些FEA數(shù)據(jù)集分配到了哪些光學(xué)面對(duì)于正確構(gòu)建光學(xué)性能模型至關(guān)重要。由于涉及的光學(xué)元件和面較多，為各個(gè)FEA數(shù)據(jù)集恰當(dāng)命名的工作會(huì)很快變得十分繁重。

Ansys ACT API使用戶能夠輕松創(chuàng)建擴(kuò)展并自動(dòng)執(zhí)行工作流。使用一致的命名方案保存FEA數(shù)據(jù)集充分說明了腳本編寫有助于改進(jìn)處理速度并降低人為錯(cuò)誤。

審核編輯：劉清