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(shè)計到結(jié)構(gòu)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(xué)的模擬，以及由此對光學(xué)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(xué)。LS-DYNA 求解跌落物理結(jié)果，然后通過 STAR 工具將其導(dǎo)入 Ansys Zemax OpticStudio Enterprise，從而研究其結(jié)果對光學(xué)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(jié)合使用，將仿真工作流程擴展到顯式動力學(xué)。LS-DYNA 可用于廣泛的分析，它的核心功能之一是顯式動力學(xué)。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(yīng)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(xué)分析。雖然它允許在一個環(huán)境中進行預(yù)處理、求解和后處理，但此工作流程需要結(jié)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(shè)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(shù)據(jù)集。然而，第 3 部分側(cè)重于使用 STAR 工具和 ZOS-API 導(dǎo)入 FEA 數(shù)據(jù)以實現(xiàn)自動化，而第 4 部分則側(cè)重于生成顯式動力學(xué)結(jié)果并研究 Zemax 中的光學(xué)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(xué)的有限元分析
手機攝像頭的光機系統(tǒng)（光機設(shè)計參見第 2 部分）加載到 Ansys Workbench 中，并導(dǎo)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(nèi)，該空間的大小和形狀與普通智能手機設(shè)備相當(dāng)。
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(biāo)記為紅色，并設(shè)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(wǎng)格實體移動或變形。
假設(shè)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(shè)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
這導(dǎo)致整個手機出現(xiàn)以下初始變形：
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(xué)性能的影響，需要單個鏡頭的變形數(shù)據(jù)集。要提取數(shù)據(jù)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(jié)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(dǎo)出為正確的格式，以便它們可以通過 STAR 工具導(dǎo)入 Ansys Zemax OpticStudio。
仿真涉及兩個步驟，變形數(shù)據(jù)集是從兩個步驟中導(dǎo)出的：
將 FEA 數(shù)據(jù)加載到?
Ansys Zemax OpticStudio 中
在 Ansys Mechanical 中生成 FEA 數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)的手機攝像頭系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)計好了，并在 OpticStudio 中優(yōu)化了它的性能。鏡頭系統(tǒng)本身的設(shè)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(shù)據(jù)集通過 OpticStudio 主窗口頂部 STAR 選項卡中的多物理場數(shù)據(jù)加載器導(dǎo)入。
對于代表鏡頭或光學(xué)元件物理表面的每個表面，都會分配一個“Surface_deformation”數(shù)據(jù)集。由于自從 OpticStudio 導(dǎo)出名義幾何體后坐標(biāo)系沒有改變，因此數(shù)據(jù)集會針對特定表面對齊，并為全局坐標(biāo)系設(shè)置。如果不是這種情況，則可以將坐標(biāo)系更改為局部坐標(biāo)系，或者可以應(yīng)用用戶定義的變換。將數(shù)據(jù)集分配給表面后，可以通過單擊 “確定（擬合多物理場數(shù)據(jù)）” 來加載和擬合數(shù)據(jù)集。
加載和擬合多物理場數(shù)據(jù)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(zhì)量非常好。波前差是旋轉(zhuǎn)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(yīng)用多物理場數(shù)據(jù)。這將作為基準(zhǔn)和性能的 “理想” 狀態(tài)。
當(dāng)加載來自撞擊狀態(tài)的數(shù)據(jù)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(jié)果可以稱為“過時數(shù)據(jù)”。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(xué)系統(tǒng)來說形變尺度過大了，無法執(zhí)行并產(chǎn)生任何重要的結(jié)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(fù)選框來完成，并且可以隨時打開或關(guān)閉。在下面的動態(tài)圖中，從完整的變形數(shù)據(jù)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(jié)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(xué)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(dǎo)致波前誤差約為 40 個波長，而標(biāo)稱性能的波前誤差約為 1/4 波長，這仍然表明存在嚴(yán)重的光學(xué)像差。如此大的波前誤差會導(dǎo)致圖像質(zhì)量高度下降，這在圖像模擬中可以看到。
撞擊后狀態(tài)的結(jié)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(dǎo)致性能仍然明顯低于名義狀態(tài)，但會導(dǎo)致更有效的結(jié)果。波前圖顯示誤差約為 ± 15 個波，這仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這種光學(xué)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(xué)。借助 Ansys Mechanical，沖擊和沖擊后狀態(tài)的變形數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)集可以通過 STAR 模塊加載并分配給光學(xué)系統(tǒng)。這樣，光學(xué)工程師就可以研究和比較光學(xué)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(xué)性能。然而，LS-DYNA-Mechanical-Zemax 工作流程的另一個應(yīng)用領(lǐng)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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