將光學和光子學領域的最新技術從孵化和原型設計轉變為主流商業化仍然是一個挑戰，而且進步的步伐需要快速創新。開發主流商業化系統的一個關鍵要素是可製造性。需要製定可負擔得起的大規模生產的流程，但產品的設計也必須從一開始就考慮到可製造性。清楚了解產品的製造、組裝和包裝方式後，工程師可以有效地利用模擬工具來設計系統，從而最大限度地減少製造錯誤對產品性能的影響。

公差通常用於確定製造錯誤如何影響光學系統性能。公差通常按表面和材料擾動以及元素擾動分類。表面和材料誤差對光學系統性能的影響當然可以透過使用本質上更易於製造的幾何形狀和材料設計產品來減輕。一個很好的例子出現在手機鏡頭的設計中。

上個月，我有幸與 Jose Pozo（EPIC 技術與創新總監）、Theodor Nielsen（NIL Technologies 的執行長兼創始人）和 Oscar Fernandez（PHABULOUS Pilot Line 的技術長）一起參加了一個小組討論會，我們討論了下一代手機鏡頭設計。部分討論集中在複雜非球面在縮小尺寸和提高手機鏡頭性能，此方面發揮佔越來越重要的作用。

Greg Forbes 博士描述的 Q 型非球面模型在手機鏡頭系統中獲得廣泛使用，因為該模型的構建本質上將可製造性視為表面描述的一部分1-3。 Q-Type Asphere 在 OpticStudio 的序列模式下已經有一段時間了，但是隨著 OpticStudio 21.2 的發布，非球面透鏡的完整 3D 幾何結構現在可以在非序列模式下建模。這種添加允許使用 OpticsBuilder 21.2 將非球面透鏡從 OpticStudio 本地導入到 CAD 中。透過本地導入 CAD，可以自定義鏡頭邊緣，從而針對相機的狹小空間要求進行優化。

在 OpticStudio 的非序列模式中添加 Q 型 Asphere 還可以對雜散光對系統性能的影響進行全 3D 模擬。一般來說，雜散光的影響對於理解光學系統的設計和可製造性至關重要。然而，確定雜散光的來源可能是一個挑戰，因為這種評估需要追蹤大量光線，然後詳細分析光線數據，以確定雜散光可以到達系統傳感器的路徑。

OpticStudio 21.2 中的架構更新極大地簡化了對光線數據的詳細分析，允許在光線追跡過程中存儲路徑數據，無需從詳細的光線數據庫中構建此資訊。還添加了新的篩選字串以限制存儲在詳細光線數據庫中的光線數量，從而提供一種簡單的方法來查詢和可視化結果。

正如光線路徑分析經常表明的那樣，用於組裝和封裝設計的光機構組件是重要的雜散光來源，會降低系統性能。這些組件還會引入結構和熱載荷，從而使光學元件變形並影響系統性能。這些變形透過負載下光學元件的有限元分析 (FEA) 來表徵。

直接評估變形對光學性能影響的能力對於創建穩健的可製造性設計至關重要。隨著 STAR 模組的發布，OpticStudio 21.2 大大簡化了這種直接評估，它允許將任何 FEA 套裝軟體生成的表面變形和 3D 溫度數據應用於幾乎所有序列模式。 ANSYS OptiSLang 團隊最近在其年度優化和設計會議 4 上展示了這種工作流程的一個很好的例子，他們在會上展示了使用 OptiSLang 自動化 ANSYS Mechanical、STAR 模組和 OpticStudio5 之間工作流程的能力。

如上所述，最近發布的 Zemax 軟體工具增加了一系列新功能，旨在為設計工程師提供可製造性設計所需的工具。隨著模擬工具的進步，這將繼續加快光學和光子學產業本已快速的創新步伐！

作者:

Sanjay Gangadhara
技術長
Zemax, LLC

參考文獻:

1. https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-18-19-19700&id=205478
2. https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-15-8-5218&id=132268
3. https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-19-10-9923&id=213662
4. https://www.ansys.com/events/21-06-17-wost
5. https://www.ansys.com/content/dam/events/event-pdfs/wost-conference-agenda-2021.pdf