前言

隨著汽車領域自動駕駛與輔助駕駛的快速發展，車載鏡頭得到了廣泛的應用，包括前視、后視、側視、環視、內置攝像頭，起到盲區監測、車輛識別、車道偏離預警等作用，涉及到行車安全，因此鏡頭成像質量的穩定性至關重要。而現實中，由于汽車行駛環境的復雜性，例如溫差可能會達到從正幾十度到負幾十度的變化范圍，這會導致鏡頭結構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，造成成像扭曲、模糊，對道路物體識別不準，最終對行車安全造成隱患。因此需要在設計階段進行高精度地預測這種環境變化對成像造成的影響量，從而優化設計，使得生產出的車載鏡頭產品能夠應對各種復雜的環境，一直保持高性能。我們通過Ansys的兩款軟件Zemax（Enterprise版，包含Star模塊）、Mechanical的聯合仿真可以實現這一目標。

Ansys光學仿真設計流程

如下圖所示，通過Ansys Zemax與Mechanical的分析與數據連接，再加上Star模塊作為橋梁，載入FEA數據并進行高精度擬合，從而實現光機熱耦合仿真。當然對于更加復雜的情況，例如熱源與鏡頭之間如果有空氣隔層（像CMOS發熱情況），還可能用到Ansys的流體分析軟件CFD等。

Ansys 光學仿真設計流程

從Zemax到Mechanical的數據傳輸與分析

將Zemax優化好的鏡頭模型參數加上鏡筒結構給到Mechanical，在Mechanical中做溫度、應力、形變的分析。

Mechanical輸出每個光學表面的形變數據和每個透鏡內部的溫度分布數據，以.txt文件格式：

表面形變數據為6列數值，分別代表表面原始網格點的坐標X、Y、Z，與坐標的改變量dX、dY、dZ。

透鏡溫度數據為4列數值，分別代表透鏡形變后網格點的坐標X、Y、Z與對應的溫度T。

Zemax Star模塊加載、擬合FEA數據

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

擬合具有非常高的精度，通常可達到10-6、10-8的擬合誤差量級。

對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，并可分別查看對光學性能的影響。

對溫度分布會通過復雜的三維數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中進行光學性能分析

在經過上述步驟后，我們在Opticstudio中可以查看在考慮了FEA形變、溫度數據影響后的光學性能。

高溫環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曲線出現了更大程度的分離，源于透鏡形變或溫度的非旋轉對稱分布。

離焦MTF曲線變化：

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高溫環境下，鏡頭產生了一定程度的離焦，可以通過調整焦平面位置進行補償。

總結

從以上仿真結果可以看到，對于一個初步設計的理想車載光學系統，在經歷環境變化后，透鏡的形狀和溫度改變會導致光學性能的明顯下降，分析的結果可以指導我們進一步改進設計并進行多次迭代，例如修改鏡筒結構的形狀或材料，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支撐架的熱脹冷縮進行自行調整以補償離焦量，從而達到無熱化設計目標。

在此過程中，Zemax Star與Mechanical的聯合仿真流程為車載鏡頭在復雜環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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