本文是3篇系列文章的一部分，該系列文章將討論智能手機(jī)鏡頭模塊設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，從概念、設(shè)計(jì)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(jī)械元件后使用 Zemax OpticsBuilder 分析系統(tǒng)。展示案例是來(lái)自全球運(yùn)營(yíng)制造商的智能手機(jī)鏡頭系統(tǒng)，該系統(tǒng)由五個(gè)鏡片、一個(gè)蓋板玻璃和一個(gè)紅外濾光片組成。主要目的是給這些鏡片擴(kuò)展復(fù)雜邊緣，以便于將它們安裝在機(jī)械部件上。此外，文章還介紹了如何使用光機(jī)械驗(yàn)證工具 Zemax OpticsBuilder 來(lái)添加和調(diào)整機(jī)械組件。（聯(lián)系我們獲取文章附件）

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簡(jiǎn)介

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

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當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)通過(guò) Prepare for OpticsBuilder 工具被轉(zhuǎn)換為.ZBD文件時(shí)有幾點(diǎn)需要考慮。首先，由于 OpticsBuilder 的光線(xiàn)追跡工具是基于 OpticStudio 的非序列光線(xiàn)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。

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其次，在 Prepare for OpticsBuilder 工具的用戶(hù)輸入部分，如果機(jī)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。

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此外，OpitcStudio 用戶(hù)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(jī)械設(shè)計(jì)所允許對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)性能影響的極限情況（在下一節(jié)中進(jìn)一步解釋?zhuān)?/p>

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用CAD編輯光學(xué)元件

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

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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）

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擴(kuò)展透鏡邊緣的幾何先決條件是，給定的機(jī)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(chēng)為鏡筒）應(yīng)盡可能少地進(jìn)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。

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· 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(shí)際應(yīng)用中，這兩個(gè)元件很可能與透鏡組不在同一個(gè)光機(jī)械組件中。、

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下一步，通過(guò)執(zhí)行仿真來(lái)查看光學(xué)性能，即光斑尺寸、光束遮擋和像面污染。由于沒(méi)有對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行任何更改，因此所有指標(biāo)都應(yīng)滿(mǎn)足允許的改變量規(guī)范，并應(yīng)顯示綠色復(fù)選標(biāo)記。

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之后，可以設(shè)計(jì)復(fù)雜的透鏡邊緣了。

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添加復(fù)雜透鏡邊緣

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經(jīng)典的機(jī)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。

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要編輯第一組透鏡，可以以單獨(dú)的文件打開(kāi)它們（Assembly選項(xiàng)卡>右鍵單擊零件>打開(kāi)）。之后，在透鏡的側(cè)面繪制額外的草圖。通過(guò)附加一條中心線(xiàn)到透鏡的光軸上，可以將添加的草圖圍繞透鏡進(jìn)行旋轉(zhuǎn)

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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(guò)與相鄰?fù)哥R和鏡筒相比較直接修改草圖來(lái)完成復(fù)雜邊緣的微調(diào)（鏡筒可以預(yù)先添加進(jìn)來(lái)，因?yàn)檫@使得復(fù)雜透鏡邊緣的微調(diào)更容易）。

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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(shí)現(xiàn)的結(jié)果。

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添加和調(diào)整機(jī)械部件

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由于四個(gè)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(jī)械裝配體中。之后，可以使用 Object Placement 工具將其直接定位。

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鏡筒和前擋圈需要稍作修改，以便機(jī)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(jī)械孔徑直徑略有增加，新模擬的光機(jī)械系統(tǒng)沒(méi)有任何可見(jiàn)的遮擋光束。

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經(jīng)過(guò)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。

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用 OpticsBuilder 進(jìn)行光學(xué)性能分析

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

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光斑尺寸

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光斑尺寸改變量是根據(jù) OpticsBuilder 基線(xiàn)構(gòu)型和 OpticsBuilder 修改后構(gòu)型之間的差異絕對(duì)值計(jì)算得出的。而 OB 基線(xiàn)構(gòu)型僅包含光學(xué)和光闌表面，修改后構(gòu)型還包含機(jī)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(xiàn)構(gòu)型具有相同（或者差異可忽略）的光斑尺寸值。

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光束遮擋?1.04%

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在 OpticsBuilder 基線(xiàn)構(gòu)型中擊中探測(cè)器，而在 OpticsBuilder 修改構(gòu)型中未擊中任何探測(cè)器的光線(xiàn)，被視為遮擋光線(xiàn)。因此，遮擋光線(xiàn)百分比的定義方法是將? OpticsBuilder 修改構(gòu)型中未擊中探測(cè)器的光通量除以在 OpticsBuilder 基線(xiàn)構(gòu)型中擊中探測(cè)器的光通量乘以100。由于擋圈應(yīng)阻止光線(xiàn)通過(guò)裝配體的上部傳播，因此該系統(tǒng)允許少量光束遮擋。

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像面污染

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當(dāng)追跡光線(xiàn)在 OpticsBuilder 修改構(gòu)型中通過(guò)意外路徑到達(dá)探測(cè)器時(shí)，它們會(huì)導(dǎo)致像面污染。意外路徑是指在 OpticsBuilder 基線(xiàn)構(gòu)型光線(xiàn)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(xiàn)標(biāo)記為橙色。像面污染量可以忽略不計(jì)，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。

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探測(cè)器查看器

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此外，對(duì)于改變量，CAD 用戶(hù)還可以研究光斑特征的實(shí)際變化。非順序? OpticStudio 文件中的初始光斑被視為 OpticsBuilder 的基線(xiàn)，當(dāng)前輸出包含了機(jī)械組件的影響。在下面的圖像中，可以看到視場(chǎng)3的情況。

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后續(xù)步驟

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下一步，可以與光學(xué)工程師一起審查光機(jī)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(jìn)光機(jī)械系統(tǒng)，然后通過(guò) Export .ZBD file（*1）導(dǎo)回 OpticStudio，也可以宣告完成并后續(xù)發(fā)送。

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（*1）這里需要注意的重要一點(diǎn)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。

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如果光學(xué)和機(jī)械工程師都聲稱(chēng)光機(jī)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(jìn)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(jìn)行詳細(xì)闡述：

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設(shè)計(jì)手機(jī)相機(jī)鏡頭第3部分：使用 STAR 模塊和 ZOS-API 進(jìn)行 STOP 分析