本文是系列文章的第四部分，作为延展。该系列文章将讨论智能手机镜头模块面临的挑战，从概念和设计到结构变形的制造和分析。本文是第四部分。它涵盖了对相机镜头的显式动力学的模拟，以及由此对光学性能的影响。Ansys Mechanical 和 LS-DYNA 用于仿真摄像头在落地时的手机撞击和弹跳过程中的显式动力学。LS-DYNA 求解跌落物理结果，然后通过 STAR 工具将其导入 Ansys Zemax OpticStudio Enterprise，从而研究其结果对光学性能的影响。
Ansys LS-DYNA (LS-DYNA) 可与本系列文章前几部分的 Ansys 工具、Ansys Zemax OpticStudio、Speos、Mechanical 和 Workbench 结合使用，将仿真工作流程扩展到显式动力学。LS-DYNA 可用于广泛的分析，它的核心功能之一是显式动力学。Ansys LS-DYNA 可用于分析涉及接触、大变形、非线性材料、瞬态响应和/或需要明确解决方案的问题。
LS-DYNA Workbench 系统 (WB LS-DYNA) 允许使用 LS-DYNA 求解器对模型进行显式动力学分析。虽然它允许在一个环境中进行预处理、求解和后处理，但此工作流程需要结合 WB LS-DYNA 和 LS -PrePost 进行高级后处理。
与本系列文章的 “Zemax手机镜头设计 | 第 3 部分：使用 STAR 模块和 ZOS-API 进行 STOP 分析” 类似，本部分也使用 Ansys Mechanical 生成 FEA 数据集。然而，第 3 部分侧重于使用 STAR 工具和 ZOS-API 导入 FEA 数据以实现自动化，而第 4 部分则侧重于生成显式动力学结果并研究 Zemax 中的光学性能。这两个工作流程都需要 Ansys Zemax OpticStudio Enterprise 中的 STAR 工具来处理 FEA 变形。
LS-DYNA具有显式动力学的有限元分析
手机摄像头的光机系统（光机设计参见第 2 部分）加载到 Ansys Workbench 中，并导入 LS-DYNA 分析系统。为了使碰撞模拟更加逼真，摄像头系统被放置在一个更大的空间内，该空间的大小和形状与普通智能手机设备相当。
模拟包含相机系统落在平面上的瞬态序列。平面（可能是地板）在上图中标记为红色，并设置为 固定支撑。固定支撑是一种边界条件，可防止选定的几何体或网格实体移动或变形。
假设物体从静止位置掉落（初始速度 = 0），并且仅由于重力而掉落。因此，撞击时的速度可以使用以下公式计算：
其中，v= 冲击速度，g = 重力加速度 （9.8 m/s2） 和 h = 相机系统掉落的高度。假设带有摄像头系统的手机从 1.5m 的高度跌落，这大约是一个正常人的手的高度，冲击速度为
以及镜头本身的以下变形：
*请注意，为了演示目的，视觉变形已放大。
为了分析这种跌落测试对光学性能的影响，需要单个镜头的变形数据集。要提取数据集，需要为每个镜头表面创建一个 Named Selection （命名选择）。在 WB-LSDYNA 中求解仿真后，输入文件和结果将在 LS-PrePost 中读取。在 LS-PrePost 中，运行一个脚本将特定面的变形（在命名选择中定义）导出为正确的格式，以便它们可以通过 STAR 工具导入 Ansys Zemax OpticStudio。
仿真涉及两个步骤，变形数据集是从两个步骤中导出的：
将 FEA 数据加载到
Ansys Zemax OpticStudio 中
在 Ansys Mechanical 中生成 FEA 数据集后，现在可以将其加载到 OpticStudio 中。正如本系列文章的第 1 部分所阐述的那样，原始结构的手机摄像头系统已经设计好了，并在 OpticStudio 中优化了它的性能。镜头系统本身的设计基于一项专利，包含五个具有非球面形状的主要镜头：
为了分析和比较手机摄像头在三种主要状态（冲击、冲击后和名义状态）下的性能，FEA 数据集通过 OpticStudio 主窗口顶部 STAR 选项卡中的多物理场数据加载器导入。
对于代表镜头或光学元件物理表面的每个表面，都会分配一个“Surface_deformation”数据集。由于自从 OpticStudio 导出名义几何体后坐标系没有改变，因此数据集会针对特定表面对齐，并为全局坐标系设置。如果不是这种情况，则可以将坐标系更改为局部坐标系，或者可以应用用户定义的变换。将数据集分配给表面后，可以通过单击 “确定（拟合多物理场数据）” 来加载和拟合数据集。
加载和拟合多物理场数据后，现在可以分析不同状态的性能，更重要的是，可以进行比较。由于这是一个手机摄像头系统，因此有一些分析工具适合在性能分析期间使用。在这种情况下，使用以下分析工具进行分析和比较：
由于镜头系统已针对此状态进行了优化，因此图像模拟的质量非常好。波前差是旋转对称的，最大误差为 0.225 个波。没有显示畸变，因为此时没有应用多物理场数据。这将作为基准和性能的 “理想” 状态。
当加载来自撞击状态的数据集时，可以清楚地看到相机系统的性能可以被视为不可用。变形如此之大，以至于图像模拟和波前映射的结果可以称为“过时数据”。有趣的是，可以在 STAR System Viewer 中看到透镜系统的变形大小。平均变形约为 0.33 毫米，对于光学系统来说形变尺度过大了，无法执行并产生任何重要的结果。
OpticStudio 中 STAR 工具的一大优势是您可以将刚体运动的影响与表面变形的影响解耦。这可以通过 Structural Data Summary 中的简单复选框来完成，并且可以随时打开或关闭。在下面的动态图中，从完整的变形数据开始，首先禁用刚体运动RBM 部分，然后一起忽略变形效果：
在上面显示的分析结果中，包括 RBM。下面显示了相同的分析，但这次排除了 RBM。这使您能够观察到高阶变形，这在光学分析过程中非常重要。STAR System Viewer 现在显示的平均变形幅度约为 0.025 毫米，这导致波前误差约为 40 个波长，而标称性能的波前误差约为 1/4 波长，这仍然表明存在严重的光学像差。如此大的波前误差会导致图像质量高度下降，这在图像模拟中可以看到。
撞击后状态的结果如下所示。
查看 STAR System Viewer 的变形矢量，仍然有趣的是，在一些镜头的边缘区域仍然存在约 0.025mm 的变形幅度。然而，可以清楚地看到，最后一个镜头（即红外滤光片）的幅度显着下降。这导致性能仍然明显低于名义状态，但会导致更有效的结果。波前图显示误差约为 ± 15 个波，这仍然远远超过这种光学系统的可接受限度。图像模拟显示了镜头变形与相机系统中可能发生的失真和像差之间的直接联系。该物体是可识别的，但非常模糊。
本系列文章的第四部分展示了如何在 Ansys Workbench 中使用 Ansys LS-DYNA 来仿真手机摄像头模块跌落测试的显式动力学。借助 Ansys Mechanical，冲击和冲击后状态的变形数据集已被提取和处理，以便在 Ansys Zemax OpticStudio 中使用。在 Ansys Zemax OpticStudio 中，FEA 数据集可以通过 STAR 模块加载并分配给光学系统。这样，光学工程师就可以研究和比较光学系统在冲击变形和冲击后状态的影响下的性能。
在这个例子中，分析了跌落测试期间的光学性能。然而，LS-DYNA-Mechanical-Zemax 工作流程的另一个应用领域也可能是振动或累积影响的研究，后续我们也将进一步研究和分享。
相关阅读
Zemax手机镜头设计 | 第 1 部分：光学设计
Zemax手机镜头设计 | 第 2 部分：使用 OpticsBuilder 实现光机械封装
Zemax手机镜头设计 | 第 3 部分：使用 STAR 模块和 ZOS-API 进行 STOP 分析
什么是有限元分析（FEA）？
Ansys 2024 R2-Ansys 光学与光子学仿真新功能介绍——Zemax
摩尔芯创专注于为硅基光电子、电力电子、高科技半导体等行业提供先进的电子设计自动化（EDA）和计算机辅助工程（CAE）协同解决方案；提供从光学、光电子学、电磁场、结构、流体、多物理场耦合等全面的工业软件应用解决方案和咨询服务。
官网：www.mooreda.com.cn
电话：15521163312(微信同号)
邮箱：wenye@mooreda.com.cn
