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Zemax手機鏡頭設(shè)計 | 第 2 部分:使用 OpticsBuilder 實現(xiàn)光機械封裝

發(fā)布日期:
2024-01-16

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本系列文章將討論智能手機鏡頭模塊設(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二部分。概括介紹了如何在CAD中編輯光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)元件以及如何在添加機械元件后使用Zemax OpticsBuilder分析系統(tǒng)。展示案例是來自全球運營制造商的智能手機鏡頭系統(tǒng),該系統(tǒng)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(fù)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(diào)整機械組件。



簡介


在OpticStudio中優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)后,通過Prepare for OpticsBuilder工具將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為.ZBD文件。


Zemax手機鏡頭設(shè)計 | 第 2 部分:使用 OpticsBuilder 實現(xiàn)光機械封裝


當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)通過 Prepare for OpticsBuilder 工具被轉(zhuǎn)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(xué)系統(tǒng)首先應(yīng)轉(zhuǎn)換為非序列系統(tǒng),然后再轉(zhuǎn)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(xué)系統(tǒng)將直接轉(zhuǎn)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(quán)編輯核心光學(xué)屬性,則應(yīng)取消勾選Read-only框。


此外,OpitcStudio用戶還可以在工具設(shè)置中編輯各種系統(tǒng)性能所允許的改變量,以便限定光機械設(shè)計所允許對于光學(xué)系統(tǒng)性能影響的極限情況(在下一節(jié)中進一步解釋)。


用CAD編輯光學(xué)元件


第一步,將.ZBD文件導(dǎo)入CAD平臺(示例為Creo Parametric 7),驗證初始光學(xué)系統(tǒng),然后計劃后續(xù)步驟。


Zemax手機鏡頭設(shè)計 | 第 2 部分:使用 OpticsBuilder 實現(xiàn)光機械封裝


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(xué)系統(tǒng)的主安裝座(在本文中稱為鏡筒)應(yīng)盡可能少地進行編輯。理想情況下,鏡筒應(yīng)僅延伸到可以容納紅外濾光片(A)和蓋板玻璃(G)的區(qū)域。


  • 免責(zé)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(yīng)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(zhí)行仿真來查看光學(xué)性能,即光斑尺寸、光束遮擋和像面污染。由于沒有對系統(tǒng)進行任何更改,因此所有指標(biāo)都應(yīng)滿足允許的改變量規(guī)范,并應(yīng)顯示綠色復(fù)選標(biāo)記。


Zemax手機鏡頭設(shè)計 | 第 2 部分:使用 OpticsBuilder 實現(xiàn)光機械封裝


之后,可以設(shè)計復(fù)雜的透鏡邊緣了。


添加復(fù)雜透鏡邊緣

經(jīng)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(fù)雜的裝配邊緣,可以使用Creo參數(shù)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(cè)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(zhuǎn)。


Zemax手機鏡頭設(shè)計 | 第 2 部分:使用 OpticsBuilder 實現(xiàn)光機械封裝


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?fù)哥R和鏡筒相比較直接修改草圖來完成復(fù)雜邊緣的微調(diào)(鏡筒可以預(yù)先添加進來,因為這使得復(fù)雜透鏡邊緣的微調(diào)更容易)。


就像在下圖中標(biāo)記出的,仍有為隔圈保留的間隙。這些是在下一章節(jié)中實現(xiàn)的結(jié)果。


Zemax手機鏡頭設(shè)計 | 第 2 部分:使用 OpticsBuilder 實現(xiàn)光機械封裝


添加和調(diào)整機械部件

由于四個隔圈是現(xiàn)成的組件,因此可以使用Creo參數(shù)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。


Zemax手機鏡頭設(shè)計 | 第 2 部分:使用 OpticsBuilder 實現(xiàn)光機械封裝


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(xué)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(cè)(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(tǒng)沒有任何可見的遮擋光束。


Zemax手機鏡頭設(shè)計 | 第 2 部分:使用 OpticsBuilder 實現(xiàn)光機械封裝


經(jīng)過初次目視檢查后,可以使用OpticsBuilder分析工具深入分析光學(xué)性能。


用OpticsBuilder進行光學(xué)性能分析


為了使用OpticsBuilder分析工具驗證光機械系統(tǒng),可以研究三個改變量并與基線值相比較(如下所述)。


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光斑尺寸

光斑尺寸改變量是根據(jù)OpticsBuilder基線構(gòu)型和OpticsBuilder修改后構(gòu)型之間的差異絕對值計算得出的。而OB基線構(gòu)型僅包含光學(xué)和光闌表面,修改后構(gòu)型還包含機械幾何體。由于光斑尺寸具有綠色復(fù)選標(biāo)記,因此修改后構(gòu)型與基線構(gòu)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(gòu)型中擊中探測器,而在OpticsBuilder修改構(gòu)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(gòu)型中未擊中探測器的光通量除以在 OpticsBuilder基線構(gòu)型中擊中探測器的光通量乘以100。由于擋圈應(yīng)阻止光線通過裝配體的上部傳播,因此該系統(tǒng)允許少量光束遮擋。


像面污染

當(dāng)追跡光線在OpticsBuilder修改構(gòu)型中通過意外路徑到達(dá)探測器時,它們會導(dǎo)致像面污染。意外路徑是指在OpticsBuilder基線構(gòu)型光線追跡中不存在的任何路徑。在上面的圖片中,導(dǎo)致像面污染的光線標(biāo)記為橙色。像面污染量可以忽略不計,因此結(jié)果窗口中的像面污染改變量為綠色復(fù)選標(biāo)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(dāng)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。


Zemax手機鏡頭設(shè)計 | 第 2 部分:使用 OpticsBuilder 實現(xiàn)光機械封裝


后續(xù)步驟


下一步,可以與光學(xué)工程師一起審查光機械系統(tǒng)并分析光學(xué)性能特性。如果需要,既可以使用CAD系統(tǒng)改進光機械系統(tǒng),然后通過 Export .ZBD file(*1)導(dǎo)回OpticStudio,也可以宣告完成并后續(xù)發(fā)送。


(*1)這里需要注意的重要一點是,由于光學(xué)元件是使用CAD特征編輯的,因此它們不再僅僅是光學(xué)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(xué)和機械工程師都聲稱光機械系統(tǒng)已完成,則可以將系統(tǒng)從Creo Parametric導(dǎo)出為STEP裝配體,并進一步轉(zhuǎn)移到FEA軟件(如Ansys Mechanical),以便為OpticStudio STAR模塊生成FEA數(shù)據(jù)集。這些步驟在本系列文章的第三部分進行詳細(xì)闡述。


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