前言

隨著汽車領(lǐng)域自動(dòng)駕駛與輔助駕駛的快速發(fā)展，車載鏡頭得到了廣泛的應(yīng)用，包括前視、后視、側(cè)視、環(huán)視、內(nèi)置攝像頭，起到盲區(qū)監(jiān)測(cè)、車輛識(shí)別、車道偏離預(yù)警等作用，涉及到行車安全，因此鏡頭成像質(zhì)量的穩(wěn)定性至關(guān)重要。而現(xiàn)實(shí)中，由于汽車行駛環(huán)境的復(fù)雜性，例如溫差可能會(huì)達(dá)到從正幾十度到負(fù)幾十度的變化范圍，這會(huì)導(dǎo)致鏡頭結(jié)構(gòu)與透鏡組的形變以及玻璃材料折射率的改變，從而引起光線的偏轉(zhuǎn)，造成成像扭曲、模糊，對(duì)道路物體識(shí)別不準(zhǔn)，最終對(duì)行車安全造成隱患。因此需要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行高精度地預(yù)測(cè)這種環(huán)境變化對(duì)成像造成的影響量，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得生產(chǎn)出的車載鏡頭產(chǎn)品能夠應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的環(huán)境，一直保持高性能。我們通過(guò)Ansys的兩款軟件Zemax（Enterprise版，包含Star模塊）、Mechanical的聯(lián)合仿真可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

Ansys光學(xué)仿真設(shè)計(jì)流程

如下圖所示，通過(guò)Ansys Zemax與Mechanical的分析與數(shù)據(jù)連接，再加上Star模塊作為橋梁，載入FEA數(shù)據(jù)并進(jìn)行高精度擬合，從而實(shí)現(xiàn)光機(jī)熱耦合仿真。當(dāng)然對(duì)于更加復(fù)雜的情況，例如熱源與鏡頭之間如果有空氣隔層（像CMOS發(fā)熱情況），還可能用到Ansys的流體分析軟件CFD等。

Ansys 光學(xué)仿真設(shè)計(jì)流程

從Zemax到Mechanical的數(shù)據(jù)傳輸與分析

將Zemax優(yōu)化好的鏡頭模型參數(shù)加上鏡筒結(jié)構(gòu)給到Mechanical，在Mechanical中做溫度、應(yīng)力、形變的分析。

Mechanical輸出每個(gè)光學(xué)表面的形變數(shù)據(jù)和每個(gè)透鏡內(nèi)部的溫度分布數(shù)據(jù)，以.txt文件格式：

表面形變數(shù)據(jù)為6列數(shù)值，分別代表表面原始網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo)X、Y、Z，與坐標(biāo)的改變量dX、dY、dZ。

透鏡溫度數(shù)據(jù)為4列數(shù)值，分別代表透鏡形變后網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo)X、Y、Z與對(duì)應(yīng)的溫度T。

Zemax Star模塊加載、擬合FEA數(shù)據(jù)

Zemax Star模塊可以直接加載Mechanical生成的FEA形變與溫度分布數(shù)據(jù)，并做高精度擬合：

擬合具有非常高的精度，通常可達(dá)到10-6、10-8的擬合誤差量級(jí)。

對(duì)形變的擬合還可以分解為低階的剛體位移和高階的表面形變，并可分別查看對(duì)光學(xué)性能的影響。

對(duì)溫度分布會(huì)通過(guò)復(fù)雜的三維數(shù)值擬合算法將其擬合成折射率或折射率變化量分布。

在Zemax Opticstudio中進(jìn)行光學(xué)性能分析

在經(jīng)過(guò)上述步驟后，我們?cè)贠pticstudio中可以查看在考慮了FEA形變、溫度數(shù)據(jù)影響后的光學(xué)性能。

高溫環(huán)境下透鏡表面面型的變化：

透鏡表面矢高分別沿不同的截面方向具有不同的形變量。

MTF曲線變化：

高溫環(huán)境下鏡頭的MTF曲線有明顯下降，而且沿子午方向和弧矢方向的MTF曲線出現(xiàn)了更大程度的分離，源于透鏡形變或溫度的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱分布。

離焦MTF曲線變化：

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高溫環(huán)境下，鏡頭產(chǎn)生了一定程度的離焦，可以通過(guò)調(diào)整焦平面位置進(jìn)行補(bǔ)償。

總結(jié)

從以上仿真結(jié)果可以看到，對(duì)于一個(gè)初步設(shè)計(jì)的理想車載光學(xué)系統(tǒng)，在經(jīng)歷環(huán)境變化后，透鏡的形狀和溫度改變會(huì)導(dǎo)致光學(xué)性能的明顯下降，分析的結(jié)果可以指導(dǎo)我們進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)并進(jìn)行多次迭代，例如修改鏡筒結(jié)構(gòu)的形狀或材料，以減小透鏡的形變量或者熱量的聚集，或者將圖像傳感器的位置通過(guò)支撐架的熱脹冷縮進(jìn)行自行調(diào)整以補(bǔ)償離焦量，從而達(dá)到無(wú)熱化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

在此過(guò)程中，Zemax Star與Mechanical的聯(lián)合仿真流程為車載鏡頭在復(fù)雜環(huán)境中的全面分析提供了非常快速且高精度的解決方案。

編輯：黃飛

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