Ansys Zemax | 手机镜头操持 - 第 4 部门：用LS-DYNA举行打击性能分析

该系列文章将讨论智能手机镜头模组操持的挑衅，从概念和操持到制造和布局变形分析。本文是四部门系列中的第四部门，它涵盖了相机镜头的显式动态模拟，以及对光学性能的影响。利用Ansys Mechanical和LS-DYNA对相机在地板上的一系列打击和弹跳过程举行显式动力学模拟，此中 LS - DYNA 用于办理跌落物理题目，然后通过STAR工具将其导入Ansys Zemax optic studio Enterprise，进而研究对光学性能产生的影响。

• Ansys Zemax | 手机镜头操持 - 第 1 部门：光学操持
  
  
  
• Ansys Zemax | 手机镜头操持 - 第 2 部门：利用 OpticsBuilder 实现光机器封装
  
  
  
• Ansys Zemax | 手机镜头操持 - 第 3 部门：利用 STAR 模块和 ZOS-API 举行 STOP 分析
  
  
  

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先容

Ansys LS-DYNA (LS-DYNA)与本系列文章前面部门的Ansys工具(Ansys Zemax OpticStudio、Speos、Mechanical 和 Workbench)一起，可以将仿真工作流扩展为显式动力学，LS-DYNA 广泛用于各种分析，它的核心本领之一是显式动态。Ansys LS-DYNA实用于分析涉及打仗、大变形、非线性子料、瞬态相应和/或须要显式办理方案的题目。
LS - DYNA Workbench 体系（WB LS - DYNA）答应用户利用 LS - DYNA 求解器对模子举行显式动力学分析。固然它答应在一个情况中举行预处置处罚、求解和后处置处罚，但该工作流须要联合利用 WB LS - DYNA 和 LS Prep - Post 举行高级后处置处罚。
与本系列文章的第3部门“Ansys Zemax | 手机镜头操持 - 第 3 部门：利用 STAR 模块和 ZOS-API 举行 STOP 分析”雷同，本部门也利用 Ansys Mechanical 天生 FEA 数据集。然而，第3部门的重点是利用 STAR 工具和 ZOS API 自动导入有限元分析数据，而第4部门的重点是天生显式动力学结果，并在 Ansys Zemax 中检察光学性能。这两个工作流程都须要 Ansys Zemax opticstudio Enterprise 中的 STAR 工具来处置处罚 FEA 变形。

利用显式动力学举行有限元分析

手机摄像头的光机体系（光机操持见第 2 部门）被加载到 Ansys Workbench 中，并导入到 LS - DYNA 分析体系中。为了使碰撞模拟更真实，摄像头体系被放置在一个更大的机身内，该机身具有常见智能手机装备的尺寸和形状。

模拟包罗摄像头体系掉落在平展外貌上的瞬态序列。平展外貌（大概是地板）在上面的图像中被标记为赤色，并被设置为固定支持。固定支持是一种边界条件，可防止选定的多少图形或网格实体移动或变形。
假设物体从静止状态(初速率= 0)落下，仅因重力着落，那么撞击时的速率可以用以下公式盘算:

此中，v=打击速率，g =重力加速率（9.8 m/s²），h = 摄像机体系落下的高度。假设带有摄像体系的手机从1.5米的高度(约莫相称于一个寻常人的手的高度)掉落，撞击速率为

这导致整个手机产生以下初始变形:

以及透镜自己的以下变形:

• 请留意，出于演示目的，视觉变形已按比例放大。
  

为了分析此跌落测试对光学性能的影响，须要单个透镜的变形数据集。为了提取数据集，为每个透镜面创建一个定名选择。在 WB - LSDYNA 中求解模拟后，在 LS - PrePost 中读取输入文件和结果。LS - PrePost 是 LS - DYNA 的专用前后处置处罚工具。在 LS - PrePost 中，运行一个脚原来将特定面（在定名选择中界说）的变形导出为正确的格式，以便可以通过 STAR 工具将它们导入到 Ansys Zemax OpticStudio 中。
模拟涉及两个步调，而且从两个步调中都导出变形数据集：

• 打击分析：这是模拟时间的 0 - 0.1ms，即打击发生时。
  
• 打击后分析：这是打击状态后 1 秒，此时答应振动衰减以克制变形中出现任何不须要的噪声。
  

将 FEA 数据加载到 Ansys Zemax OpticStudio 中

在 Ansys Mechanical 中天生 FEA 数据集后，如今可以将它们加载到 OpticStudio 中。如本系列文章第 1 部门所述，名义上的手机摄像头体系已在 OpticStudio 中操持并优化了性能。透镜体系自己的操持基于一项专利，包罗五个告急的非球面透镜：

为了分析和比力手机摄像头在三种告急状态（打击、打击后和名义）下的性能，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 FEA 数据集。

对于代表透镜或光学组件物理外貌的每个外貌，分配一个 “Surface_deformation” 数据集。由于自从从 OpticStudio 导着名义多少形状以来坐标系没有改变，因此为特定外貌对齐数据集并设置为全局坐标系。假如不是这种情况，可以将坐标系更改为局部坐标系，大概可以应用用户界说的变动。在将数据集分配给外貌后，可以通过单击 “OK（Fit Multiphysics Data）” 加载和拟合数据集。

差别状态下的光学性能分析

加载和拟合多物理场数据后，如今可以分析差别状态的性能，更告急的是举行比力。由于这是一个手机摄像头体系，在性能分析过程中有一些分析工具可供利用。在这种情况下，利用以下分析工具举行分析和比力：

• 图像模拟 - 此功能通过将源位图文件与点扩散函数阵列举行卷积来模拟图像的形成。思量的影响包罗衍射、像差、畸变、相对照明、图像方向和偏振。
  
• 波前图 - 体现光瞳上的波前偏差。
  
• STAR 体系检察器（变形） - 体现由于拟合的多物理场数据而导致的外貌变形和光学性子厘革的体系范围视图。
  

名义状态

由于透镜体系已经针对这种状态举行了优化，以是图像模拟的质量非常好。波前偏差是旋转对称的，最大偏差为0.225波。没有体现变形，由于没有应用多物理数据。这将作为基线和性能的“理想”状态。

打击状态

当加载打击状态的数据集时，很显着可以看出相机体系的性能可以被以为是不可用的。变形太大，以至于图像模拟和波前图的结果可以被声明为 “陈旧数据”。风趣的是，可以在 STAR 体系检察器中看到透镜体系的变形幅度。均匀变形约为0.33mm，对于一个光学体系来说，变形太大以至于无法实验并产生任何以意义的结果。

OpticStudio 中 STAR 工具的一大上风是可以将刚体活动的结果与曲面变形的结果分离。这可以通过布局数据择要中的简单勾选框来实现，而且可以随时打开或关闭。在下面的动态图中，从完备的变形数据开始，起首 RBM 部门被禁用，然后变形结果被全部忽略:

在上面体现的分析结果中，包罗了 RBM。下面体现了雷同的分析，但这次清除了 RBM。这使您可以大概观察高阶变形，这在光学分析过程中很告急。STAR 体系检察器体现均匀变形幅度约为 0.025mm，这导致波前偏差约为40个波长，与给出约莫四分之一波长的波前偏差的标称性能相比，这仍旧表现严厉的光学像差。云云大的波前偏差导致图像质量严厉降落，这可以在图像模拟中看到。

• 接洽工作职员相识关于 RBM 变形和高阶变形比力的更多信息
  

打击后状态

打击后状态的结果如下所示。

检察 STAR 体系检察器的变形矢量，仍旧风趣的是，在一些透镜的边沿地区仍旧有约莫 0.025mm 的变形幅度。然而，很显着可以看出末了一个透镜（即红外滤光片）的幅度显着降落。这导致性能仍旧显着比名义状态差，但产生了更可用的结果。波前图体现偏差约为 ±15 波，这仍旧远远高出此类光学体系的可担当极限。图像模拟体现了透镜变形与摄像头体系中大概出现的畸变和像差之间的直接接洽。物体可以辨认，但非常暗昧。

结论

本系列文章的第 4 部门展示了怎样在 Ansys Workbench 中利用 Ansys LS - DYNA 模拟手机摄像头模块的跌落测试的显式动力学。利用 Ansys Mechanical 提取了打击和打击后状态的变形数据集并举行处置处罚，以便在 Ansys Zemax OpticStudio 中利用。在 Ansys Zemax OpticStudio 中，可以通过 STAR 模块加载 FEA 数据集并将其分配给光学体系。如许，光学工程师可以研究和比力光学体系在打击和打击后状态变形影响下的性能。

后续步调

在这个示例中，我们分析了跌落测试中的光学性能。同样，LS-DYNA- Mechanical - Zemax 工作流程还可以应用于研究振动或累积打击等其他范畴。