Ansys 光学仿真设计流程详细解析

前言

随着汽车领域自动驾驶与辅助驾驶的快速发展，车载镜头得到了广泛的应用，包括前视、后视、侧视、环视、内置摄像头，起到盲区监测、车辆识别、车道偏离预警等作用，涉及到行车安全，因此镜头成像质量的稳定性至关重要。而现实中，由于汽车行驶环境的复杂性，例如温差可能会达到从正几十度到负几十度的变化范围，这会导致镜头结构与透镜组的形变以及玻璃材料折射率的改变，从而引起光线的偏转，造成成像扭曲、模糊，对道路物体识别不准，最终对行车安全造成隐患。因此需要在设计阶段进行高精度地预测这种环境变化对成像造成的影响量，从而优化设计，使得生产出的车载镜头产品能够应对各种复杂的环境，一直保持高性能。我们通过Ansys的两款软件Zemax（Enterprise版，包含Star模块）、Mechanical的联合仿真可以实现这一目标。

Ansys光学仿真设计流程

如下图所示，通过Ansys Zemax与Mechanical的分析与数据连接，再加上Star模块作为桥梁，载入FEA数据并进行高精度拟合，从而实现光机热耦合仿真。当然对于更加复杂的情况，例如热源与镜头之间如果有空气隔层（像CMOS发热情况），还可能用到Ansys的流体分析软件CFD等。

Ansys 光学仿真设计流程

从Zemax到Mechanical的数据传输与分析

将Zemax优化好的镜头模型参数加上镜筒结构给到Mechanical，在Mechanical中做温度、应力、形变的分析。

Mechanical输出每个光学表面的形变数据和每个透镜内部的温度分布数据，以.txt文件格式：

表面形变数据为6列数值，分别代表表面原始网格点的坐标X、Y、Z，与坐标的改变量dX、dY、dZ。

透镜温度数据为4列数值，分别代表透镜形变后网格点的坐标X、Y、Z与对应的温度T。

Zemax Star模块加载、拟合FEA数据

Zemax Star模块可以直接加载Mechanical生成的FEA形变与温度分布数据，并做高精度拟合：

拟合具有非常高的精度，通常可达到10-6、10-8的拟合误差量级。

对形变的拟合还可以分解为低阶的刚体位移和高阶的表面形变，并可分别查看对光学性能的影响。

对温度分布会通过复杂的三维数值拟合算法将其拟合成折射率或折射率变化量分布。

在Zemax Opticstudio中进行光学性能分析

在经过上述步骤后，我们在Opticstudio中可以查看在考虑了FEA形变、温度数据影响后的光学性能。

高温环境下透镜表面面型的变化：

透镜表面矢高分别沿不同的截面方向具有不同的形变量。

MTF曲线变化：

高温环境下镜头的MTF曲线有明显下降，而且沿子午方向和弧矢方向的MTF曲线出现了更大程度的分离，源于透镜形变或温度的非旋转对称分布。

离焦MTF曲线变化：

   

高温环境下，镜头产生了一定程度的离焦，可以通过调整焦平面位置进行补偿。

总结

从以上仿真结果可以看到，对于一个初步设计的理想车载光学系统，在经历环境变化后，透镜的形状和温度改变会导致光学性能的明显下降，分析的结果可以指导我们进一步改进设计并进行多次迭代，例如修改镜筒结构的形状或材料，以减小透镜的形变量或者热量的聚集，或者将图像传感器的位置通过支撑架的热胀冷缩进行自行调整以补偿离焦量，从而达到无热化设计目标。

在此过程中，Zemax Star与Mechanical的联合仿真流程为车载镜头在复杂环境中的全面分析提供了非常快速且高精度的解决方案。

编辑：黄飞