Ansys Zemax | 手機鏡頭設計 - 第 2 部分：使用 OpticsBuilde Ansys Zemax | 手機鏡頭設計 - 第 2 部分：使用 OpticsBuilder 實現光機械封裝
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塊設計的挑戰，從概念、設計到制造和結構變形的分析。本文是三部分系列的第二部分。概括介紹了如何在 CAD 中編輯光學系統的光學元件以及如何在添加機械元件后使用 Zemax OpticsBuilder 分析系統。展示案例是來自全球運營制造商的智能手機鏡頭系統，該系統由五個鏡片、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展復雜邊緣，以便于將它們安裝在機械部件上。此外，文章還介紹了如何使用光機械驗證工具 Zemax OpticsBuilder 來添加和調整機械組件。
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簡介
在OpticStudio中優化光學系統后，通過Prepare for OpticsBuilder工具將系統轉換為.ZBD文件。
當光學系統通過 Prepare for OpticsBuilder 工具被轉換為.ZBD文件時有幾點需要考慮。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，因此序列光學系統首先應轉換為非序列系統，然后再轉換為.ZBD文件。如果 Prepare for OpticsBuilder 工具是在非序列模式中使用，則光學系統將直接轉換為 .ZBD 文件。
其次，在 Prepare for OpticsBuilder 工具的用戶輸入部分，如果機械工程師有權編輯核心光學屬性，則應取消勾選 Read-only 框。
此外，OpitcStudio 用戶還可以在工具設置中編輯各種系統性能所允許的改變量，以便限定光機械設計所允許對于光學系統性能影響的極限情況（在下一節中進一步解釋）。
用CAD編輯光學元件
第一步，將 .ZBD 文件導入 CAD 平臺（示例為 Creo Parametric 7），驗證初始光學系統，然后計劃后續步驟。
零件清單：
1.紅外濾光片（A）
2.透鏡（LB）
3.透鏡（LC）
4.透鏡（LD）
5.透鏡（LE）
6.透鏡（LF）
7.蓋板玻璃（G）
擴展透鏡邊緣的幾何先決條件是，給定的機械隔圈必須在它們之間裝配，并且支撐光學系統的主安裝座（在本文中稱為鏡筒）應盡可能少地進行編輯。理想情況下，鏡筒應僅延伸到可以容納紅外濾光片（A）和蓋板玻璃（G）的區域。
· 免責聲明： 出于展示的目的，紅外濾光片（A）和蓋板玻璃（G）都保留在鏡筒中，在實際應用中，這兩個元件很可能與透鏡組不在同一個光機械組件中。
下一步，通過執行仿真來查看光學性能，即光斑尺寸、光束遮擋和像面污染。由于沒有對系統進行任何更改，因此所有指標都應滿足允許的改變量規范，并應顯示綠色復選標記。
之后，可以設計復雜的透鏡邊緣了。
添加復雜透鏡邊緣
經典的機械裝配邊緣可以在 OpticsBuilder 中使用 Add Mounting Edge 功能直接添加，要給透鏡添加復雜的裝配邊緣，可以使用 Creo 參數化原生草圖工具。
要編輯第一組透鏡，可以以單獨的文件打開它們（Assembly選項卡>右鍵單擊零件>打開）。之后，在透鏡的側面繪制額外的草圖。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行旋轉。
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透鏡和鏡筒相比較直接修改草圖來完成復雜邊緣的微調（鏡筒可以預先添加進來，因為這使得復雜透鏡邊緣的微調更容易）。
就像在下圖中標記出的，仍有為隔圈保留的間隙。這些是在下一章節中實現的結果。
添加和調整機械部件
由于四個隔圈是現成的組件，因此可以使用 Creo 參數化原生插入工具（Model Tab -> Assemble -> Assemble A）將其直接插入到光機械裝配體中。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，以便機械組件可以模擬 OpticStudio 中定義的光學孔徑，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（B部分），由于鏡筒上的機械孔徑直徑略有增加，新模擬的光機械系統沒有任何可見的遮擋光束。
經過初次目視檢查后，可以使用 OpticsBuilder 分析工具深入分析光學性能。
用 OpticsBuilder 進行光學性能分析
為了使用 OpticsBuilder 分析工具驗證光機械系統，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 OpticsBuilder 基線構型和 OpticsBuilder 修改后構型之間的差異絕對值計算得出的。而 OB 基線構型僅包含光學和光闌表面，修改后構型還包含機械幾何體。由于光斑尺寸具有綠色復選標記，因此修改后構型與基線構型具有相同（或者差異可忽略）的光斑尺寸值。
光束遮擋 1.04%
在 OpticsBuilder 基線構型中擊中探測器，而在 OpticsBuilder 修改構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 修改構型中未擊中探測器的光通量除以在 OpticsBuilder 基線構型中擊中探測器的光通量乘以100。由于擋圈應阻止光線通過裝配體的上部傳播，因此該系統允許少量光束遮擋。
像面污染
當追跡光線在 OpticsBuilder 修改構型中通過意外路徑到達探測器時，它們會導致像面污染。意外路徑是指在 OpticsBuilder 基線構型光線追跡中不存在的任何路徑。在上面的圖片中，導致像面污染的光線標記為橙色。像面污染量可以忽略不計，因此結果窗口中的像面污染改變量為綠色復選標記。
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際變化。非順序 OpticStudio 文件中的初始光斑被視為 OpticsBuilder 的基線，當前輸出包含了機械組件的影響。在下面的圖像中，可以看到視場3的情況。
后續步驟
下一步，可以與光學工程師一起審查光機械系統并分析光學性能特性。如果需要，既可以使用 CAD 系統改進光機械系統，然后通過 Export .ZBD file（*1）導回 OpticStudio，也可以宣告完成并后續發送。
（*1）這里需要注意的重要一點是，由于光學元件是使用 CAD 特征編輯的，因此它們不再僅僅是光學組件。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。
如果光學和機械工程師都聲稱光機械系統已完成，則可以將系統從 Creo Parametric 導出為 STEP 裝配體，并進一步轉移到 FEA 軟件（如 Ansys Mechanical ），以便為 OpticStudio STAR 模塊生成 FEA 數據集。這些步驟在本系列文章的第三部分進行詳細闡述：
· 設計手機相機鏡頭第3部分：使用 STAR 模塊和 ZOS-API 進行 STOP 分析
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塊設計的挑戰，從概念、設計到制造和結構變形的分析。本文是三部分系列的第二部分。概括介紹了如何在 CAD 中編輯光學系統的光學元件以及如何在添加機械元件后使用 Zemax OpticsBuilder 分析系統。展示案例是來自全球運營制造商的智能手機鏡頭系統，該系統由五個鏡片、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展復雜邊緣，以便于將它們安裝在機械部件上。此外，文章還介紹了如何使用光機械驗證工具 Zemax OpticsBuilder 來添加和調整機械組件。
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在OpticStudio中優化光學系統后，通過Prepare for OpticsBuilder工具將系統轉換為.ZBD文件。
當光學系統通過 Prepare for OpticsBuilder 工具被轉換為.ZBD文件時有幾點需要考慮。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，因此序列光學系統首先應轉換為非序列系統，然后再轉換為.ZBD文件。如果 Prepare for OpticsBuilder 工具是在非序列模式中使用，則光學系統將直接轉換為 .ZBD 文件。
其次，在 Prepare for OpticsBuilder 工具的用戶輸入部分，如果機械工程師有權編輯核心光學屬性，則應取消勾選 Read-only 框。
此外，OpitcStudio 用戶還可以在工具設置中編輯各種系統性能所允許的改變量，以便限定光機械設計所允許對于光學系統性能影響的極限情況（在下一節中進一步解釋）。
用CAD編輯光學元件
第一步，將 .ZBD 文件導入 CAD 平臺（示例為 Creo Parametric 7），驗證初始光學系統，然后計劃后續步驟。
零件清單：
1.紅外濾光片（A）
2.透鏡（LB）
3.透鏡（LC）
4.透鏡（LD）
5.透鏡（LE）
6.透鏡（LF）
7.蓋板玻璃（G）
擴展透鏡邊緣的幾何先決條件是，給定的機械隔圈必須在它們之間裝配，并且支撐光學系統的主安裝座（在本文中稱為鏡筒）應盡可能少地進行編輯。理想情況下，鏡筒應僅延伸到可以容納紅外濾光片（A）和蓋板玻璃（G）的區域。
· 免責聲明： 出于展示的目的，紅外濾光片（A）和蓋板玻璃（G）都保留在鏡筒中，在實際應用中，這兩個元件很可能與透鏡組不在同一個光機械組件中。
下一步，通過執行仿真來查看光學性能，即光斑尺寸、光束遮擋和像面污染。由于沒有對系統進行任何更改，因此所有指標都應滿足允許的改變量規范，并應顯示綠色復選標記。
之后，可以設計復雜的透鏡邊緣了。
添加復雜透鏡邊緣
經典的機械裝配邊緣可以在 OpticsBuilder 中使用 Add Mounting Edge 功能直接添加，要給透鏡添加復雜的裝配邊緣，可以使用 Creo 參數化原生草圖工具。
要編輯第一組透鏡，可以以單獨的文件打開它們（Assembly選項卡>右鍵單擊零件>打開）。之后，在透鏡的側面繪制額外的草圖。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行旋轉。
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透鏡和鏡筒相比較直接修改草圖來完成復雜邊緣的微調（鏡筒可以預先添加進來，因為這使得復雜透鏡邊緣的微調更容易）。
就像在下圖中標記出的，仍有為隔圈保留的間隙。這些是在下一章節中實現的結果。
添加和調整機械部件
由于四個隔圈是現成的組件，因此可以使用 Creo 參數化原生插入工具（Model Tab -> Assemble -> Assemble A）將其直接插入到光機械裝配體中。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，以便機械組件可以模擬 OpticStudio 中定義的光學孔徑，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（B部分），由于鏡筒上的機械孔徑直徑略有增加，新模擬的光機械系統沒有任何可見的遮擋光束。
經過初次目視檢查后，可以使用 OpticsBuilder 分析工具深入分析光學性能。
用 OpticsBuilder 進行光學性能分析
為了使用 OpticsBuilder 分析工具驗證光機械系統，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 OpticsBuilder 基線構型和 OpticsBuilder 修改后構型之間的差異絕對值計算得出的。而 OB 基線構型僅包含光學和光闌表面，修改后構型還包含機械幾何體。由于光斑尺寸具有綠色復選標記，因此修改后構型與基線構型具有相同（或者差異可忽略）的光斑尺寸值。
光束遮擋 1.04%
在 OpticsBuilder 基線構型中擊中探測器，而在 OpticsBuilder 修改構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 修改構型中未擊中探測器的光通量除以在 OpticsBuilder 基線構型中擊中探測器的光通量乘以100。由于擋圈應阻止光線通過裝配體的上部傳播，因此該系統允許少量光束遮擋。
像面污染
當追跡光線在 OpticsBuilder 修改構型中通過意外路徑到達探測器時，它們會導致像面污染。意外路徑是指在 OpticsBuilder 基線構型光線追跡中不存在的任何路徑。在上面的圖片中，導致像面污染的光線標記為橙色。像面污染量可以忽略不計，因此結果窗口中的像面污染改變量為綠色復選標記。
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際變化。非順序 OpticStudio 文件中的初始光斑被視為 OpticsBuilder 的基線，當前輸出包含了機械組件的影響。在下面的圖像中，可以看到視場3的情況。
后續步驟
下一步，可以與光學工程師一起審查光機械系統并分析光學性能特性。如果需要，既可以使用 CAD 系統改進光機械系統，然后通過 Export .ZBD file（*1）導回 OpticStudio，也可以宣告完成并后續發送。
（*1）這里需要注意的重要一點是，由于光學元件是使用 CAD 特征編輯的，因此它們不再僅僅是光學組件。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。
如果光學和機械工程師都聲稱光機械系統已完成，則可以將系統從 Creo Parametric 導出為 STEP 裝配體，并進一步轉移到 FEA 軟件（如 Ansys Mechanical ），以便為 OpticStudio STAR 模塊生成 FEA 數據集。這些步驟在本系列文章的第三部分進行詳細闡述：
· 設計手機相機鏡頭第3部分：使用 STAR 模塊和 ZOS-API 進行 STOP 分析
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