本文是系列文章的第四部分，作為延展。該系列文章將討論智能手機鏡頭模塊面臨的挑戰(zhàn)，從概念和設計到結構變形的制造和分析。本文是第四部分。它涵蓋了對相機鏡頭的顯式動力學的模擬，以及由此對光學性能的影響。Ansys Mechanical 和 LS-DYNA 用于仿真攝像頭在落地時的手機撞擊和彈跳過程中的顯式動力學。LS-DYNA 求解跌落物理結果，然后通過 STAR 工具將其導入 Ansys Zemax OpticStudio Enterprise，從而研究其結果對光學性能的影響。
Ansys LS-DYNA (LS-DYNA) 可與本系列文章前幾部分的 Ansys 工具、Ansys Zemax OpticStudio、Speos、Mechanical 和 Workbench 結合使用，將仿真工作流程擴展到顯式動力學。LS-DYNA 可用于廣泛的分析，它的核心功能之一是顯式動力學。Ansys LS-DYNA 可用于分析涉及接觸、大變形、非線性材料、瞬態(tài)響應和/或需要明確解決方案的問題。
LS-DYNA Workbench 系統(tǒng) (WB LS-DYNA) 允許使用 LS-DYNA 求解器對模型進行顯式動力學分析。雖然它允許在一個環(huán)境中進行預處理、求解和后處理，但此工作流程需要結合 WB LS-DYNA 和 LS -PrePost 進行高級后處理。
與本系列文章的 “Zemax手機鏡頭設計 | 第 3 部分：使用 STAR 模塊和 ZOS-API 進行 STOP 分析” 類似，本部分也使用 Ansys Mechanical 生成 FEA 數據集。然而，第 3 部分側重于使用 STAR 工具和 ZOS-API 導入 FEA 數據以實現(xiàn)自動化，而第 4 部分則側重于生成顯式動力學結果并研究 Zemax 中的光學性能。這兩個工作流程都需要 Ansys Zemax OpticStudio Enterprise 中的 STAR 工具來處理 FEA 變形。
LS-DYNA具有顯式動力學的有限元分析
手機攝像頭的光機系統(tǒng)（光機設計參見第 2 部分）加載到 Ansys Workbench 中，并導入 LS-DYNA 分析系統(tǒng)。為了使碰撞模擬更加逼真，攝像頭系統(tǒng)被放置在一個更大的空間內，該空間的大小和形狀與普通智能手機設備相當。
模擬包含相機系統(tǒng)落在平面上的瞬態(tài)序列。平面（可能是地板）在上圖中標記為紅色，并設置為 固定支撐。固定支撐是一種邊界條件，可防止選定的幾何體或網格實體移動或變形。
假設物體從靜止位置掉落（初始速度 = 0），并且僅由于重力而掉落。因此，撞擊時的速度可以使用以下公式計算：
其中，v= 沖擊速度，g = 重力加速度 （9.8 m/s2） 和 h = 相機系統(tǒng)掉落的高度。假設帶有攝像頭系統(tǒng)的手機從 1.5m 的高度跌落，這大約是一個正常人的手的高度，沖擊速度為
以及鏡頭本身的以下變形：
*請注意，為了演示目的，視覺變形已放大。
為了分析這種跌落測試對光學性能的影響，需要單個鏡頭的變形數據集。要提取數據集，需要為每個鏡頭表面創(chuàng)建一個 Named Selection （命名選擇）。在 WB-LSDYNA 中求解仿真后，輸入文件和結果將在 LS-PrePost 中讀取。在 LS-PrePost 中，運行一個腳本將特定面的變形（在命名選擇中定義）導出為正確的格式，以便它們可以通過 STAR 工具導入 Ansys Zemax OpticStudio。
仿真涉及兩個步驟，變形數據集是從兩個步驟中導出的：
將 FEA 數據加載到?
Ansys Zemax OpticStudio 中
在 Ansys Mechanical 中生成 FEA 數據集后，現(xiàn)在可以將其加載到 OpticStudio 中。正如本系列文章的第 1 部分所闡述的那樣，原始結構的手機攝像頭系統(tǒng)已經設計好了，并在 OpticStudio 中優(yōu)化了它的性能。鏡頭系統(tǒng)本身的設計基于一項專利，包含五個具有非球面形狀的主要鏡頭：
為了分析和比較手機攝像頭在三種主要狀態(tài)（沖擊、沖擊后和名義狀態(tài)）下的性能，F(xiàn)EA 數據集通過 OpticStudio 主窗口頂部 STAR 選項卡中的多物理場數據加載器導入。
對于代表鏡頭或光學元件物理表面的每個表面，都會分配一個“Surface_deformation”數據集。由于自從 OpticStudio 導出名義幾何體后坐標系沒有改變，因此數據集會針對特定表面對齊，并為全局坐標系設置。如果不是這種情況，則可以將坐標系更改為局部坐標系，或者可以應用用戶定義的變換。將數據集分配給表面后，可以通過單擊 “確定（擬合多物理場數據）” 來加載和擬合數據集。
加載和擬合多物理場數據后，現(xiàn)在可以分析不同狀態(tài)的性能，更重要的是，可以進行比較。由于這是一個手機攝像頭系統(tǒng)，因此有一些分析工具適合在性能分析期間使用。在這種情況下，使用以下分析工具進行分析和比較：
由于鏡頭系統(tǒng)已針對此狀態(tài)進行了優(yōu)化，因此圖像模擬的質量非常好。波前差是旋轉對稱的，最大誤差為 0.225 個波。沒有顯示畸變，因為此時沒有應用多物理場數據。這將作為基準和性能的 “理想” 狀態(tài)。
當加載來自撞擊狀態(tài)的數據集時，可以清楚地看到相機系統(tǒng)的性能可以被視為不可用。變形如此之大，以至于圖像模擬和波前映射的結果可以稱為“過時數據”。有趣的是，可以在 STAR System Viewer 中看到透鏡系統(tǒng)的變形大小。平均變形約為 0.33 毫米，對于光學系統(tǒng)來說形變尺度過大了，無法執(zhí)行并產生任何重要的結果。
OpticStudio 中 STAR 工具的一大優(yōu)勢是您可以將剛體運動的影響與表面變形的影響解耦。這可以通過 Structural Data Summary 中的簡單復選框來完成，并且可以隨時打開或關閉。在下面的動態(tài)圖中，從完整的變形數據開始，首先禁用剛體運動RBM 部分，然后一起忽略變形效果：
在上面顯示的分析結果中，包括 RBM。下面顯示了相同的分析，但這次排除了 RBM。這使您能夠觀察到高階變形，這在光學分析過程中非常重要。STAR System Viewer 現(xiàn)在顯示的平均變形幅度約為 0.025 毫米，這導致波前誤差約為 40 個波長，而標稱性能的波前誤差約為 1/4 波長，這仍然表明存在嚴重的光學像差。如此大的波前誤差會導致圖像質量高度下降，這在圖像模擬中可以看到。
撞擊后狀態(tài)的結果如下所示。
查看 STAR System Viewer 的變形矢量，仍然有趣的是，在一些鏡頭的邊緣區(qū)域仍然存在約 0.025mm 的變形幅度。然而，可以清楚地看到，最后一個鏡頭（即紅外濾光片）的幅度顯著下降。這導致性能仍然明顯低于名義狀態(tài)，但會導致更有效的結果。波前圖顯示誤差約為 ± 15 個波，這仍然遠遠超過這種光學系統(tǒng)的可接受限度。圖像模擬顯示了鏡頭變形與相機系統(tǒng)中可能發(fā)生的失真和像差之間的直接聯(lián)系。該物體是可識別的，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 來仿真手機攝像頭模塊跌落測試的顯式動力學。借助 Ansys Mechanical，沖擊和沖擊后狀態(tài)的變形數據集已被提取和處理，以便在 Ansys Zemax OpticStudio 中使用。在 Ansys Zemax OpticStudio 中，F(xiàn)EA 數據集可以通過 STAR 模塊加載并分配給光學系統(tǒng)。這樣，光學工程師就可以研究和比較光學系統(tǒng)在沖擊變形和沖擊后狀態(tài)的影響下的性能。
在這個例子中，分析了跌落測試期間的光學性能。然而，LS-DYNA-Mechanical-Zemax 工作流程的另一個應用領域也可能是振動或累積影響的研究，后續(xù)我們也將進一步研究和分享。
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Zemax手機鏡頭設計 | 第 1 部分：光學設計
Zemax手機鏡頭設計 | 第 2 部分：使用 OpticsBuilder 實現(xiàn)光機械封裝
Zemax手機鏡頭設計 | 第 3 部分：使用 STAR 模塊和 ZOS-API 進行 STOP 分析
什么是有限元分析（FEA）？
Ansys 2024 R2-Ansys 光學與光子學仿真新功能介紹——Zemax
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