携帯電話のカメラレンズの設計 - パート3: STARモジュールとZOS-APIを使用したSTOP解析

2022年11月24日 10:29

この記事では、スマートフォンのレンズモジュールの課題、設計から製造、構造変形の解析までについて、3部構成で解説します。この記事は、全3部構成シリーズの第3部です。Ansys Zemax OpticStudio Enterpriseで利用可能なSTAR技術を使用して、スマートフォンレンズの構造、熱、光学パフォーマンス（STOP）の自動解析を取り上げます。FEAデータのインポートやフィッティングの処理は、ZOS-APIを使用し自動化されています。この記事では、ユーザー拡張とユーザー解析を紹介します。熱条件下における携帯電話レンズの熱起因の構造変形による光学パフォーマンス解析を、内蔵の解析機能だけでなく、ZOS-APIユーザー解析機能を用いて拡張シミュレーションを行います。

携帯電話のカメラのレンズ設計 - パート1: 光学系

携帯電話のカメラのレンズ設計 - パート2: OpticsBuilderによる筐体の光学機械系設計

Authored By Julia Zhang, Esteban Carbajal

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必要なツール

Ansys Zemax OpticStudio Enterprise
または
Legacy Zemax OpticStudio ProfessionalまたはPremiumおよびSTAR Moduleライセンス
FEAシミュレーションツール（この例では、Ansys Mechanicalを使用していますが、どのFEAシミュレーションソフトウェアでも使用できます。）
Ansys Mechanical用Ansys Data Export Extensionオプション

はじめに

製造の遅れや製造コストの増加により、企業は新製品の納期を厳守する方法を模索しています。「トライアンドエラー」による設計モデルは、プロトタイプを何度も作ってテストする必要があるため、コストが上昇させます。正確なマルチ・フィジクス・シミュレーションは、技術チームや設計チームが様々な使用状況下でシステムのパフォーマンスを予測し、設計段階でシステムのパフォーマンスに与える影響を理解するために起こり得る条件をシミュレーションするのに役立ちます。包括的なシミュレーションは、最初の段階から生産サイクルにおける時間な無駄を省き、コストを削減する方法のひとつになります。異なる温度下で材料の特性が変化するため、物理的な影響は構造的なものだけでなく光学的なものにも及ぶことがあります。これらの影響は重大であり、大量生産後の製品の使用に深刻な影響を与える可能性があります。

カメラモジュールの設計段階で考慮すべき要因のひとつは、携帯電話が室温と異なる環境で使用された場合に、仕様通りのパフォーマンスを発揮するかどうかという点です。温度が変化すると、レンズ材料は膨張と収縮を繰り返し、材料の屈折率やレンズの表面形状を変化させます。これにより、表面形状を既知のパラメトリック多項式で記述することができなくなり、またレンズ形状全体に渡って等方的な屈折率を使用したときと、光線がずれることになります。これらの変動は最終的な画像に影響を与え、画質を低下させる可能性があります。MTF値が設計要件よりも低くなると、最終的な画像でコントラスト低下やぼやけが生じることがあります。

光学製品には光学レンズだけでなく、機械的な部品もあります。機械的な部品はレンズの位置を変えたり、レンズに圧力をかけたりすることでパフォーマンスに大きな影響を及ぼし、レンズ表面を変形させる原因となります。Ansys Zemax OpticStudio Enterpriseを使用することで、携帯電話レンズ光学系の構造解析と熱解析を実行できます。熱条件と機械的負荷をシミュレートし、その出力結果を用いて携帯電話レンズシステムへの影響を定量化することができます。ANSYS Mechanicalのシミュレーション結果をANSYS Zemax OpticStudio Enterpriseに読み込み、静的シミュレーションと過渡シミュレーションを実施することで、相互運用性を確立し、光学パフォーマンスを包括的に把握することができます。

STARユーザー拡張機能

熱による構造変形の影響を解析するため、システム内のレンズ表面に割り当てる14の構造用データセットが用意されています。OpticStudioのユーザー・インターフェイスを使用して、各データセットを個別に割り当てることができます。

図1.FEAデータセットの光学面への割り当てに使用されるLoad FEA Dataツール

14の面と7つの時点があるため、システムを完全に解析するためには、合計98種類のFEAデータセットを正しい光学面に割り当てる必要があります。クリック数を減らしてデータ割り当て時のミスを避けるために、現在のレンズシステムにデータをロードするために、ZOS-APIによるユーザー拡張が行われています。ユーザー拡張では以下のことができます：

データセットテキストファイルの名前から面番号とFEAデータ型を認識します。
データセットを正しい面に自動的に適用します。
すべての時点のデータセットを自動的に適用します。

ユーザー拡張機能の使用方法

FEAデータセットが保存された適切な座標系を選択します。
- この拡張機能は、すべてのFEAデータセットが同じ座標系で保存されていることを前提としています。
  
  図2.STAR User Extension の座標系制御
FEAデータセットテキストファイルをロードするにはLoad FEAをクリックします。
表示されたフォルダーの参照ウィンドウで、システムのデータセットが含まれているフォルダを選択します。

デフォルトのディレクトリは、現在のレンズファイルの場所と同じです。
読み込みエラーを回避するために、内部テキストファイルが正しい形式であることを確認してください。

図3.Export to STAR拡張機能を使用してAnsys Mechanicalから保存し、整理されたFEAデータセット

オプションOpticStudio UIでSTARの[フィットアセスメント] (Fit Assessment)ツールを開き、フィッティング設定オプションを確認（必要に応じて変更）し、[OK] (OK)をクリックします。

このユーザー拡張は、調整されたすべての面とこのFEAデータ型に同じフィッティング設定を適用しますフィッティングパラメータとフィッティング結果は検証用にレポートされ、txtとして保存されます。

図4.フィッティング評価ツールのフィッティング設定を調整。

図5.左の図は、FEAデータセットのロードとフィッティングに関するログレポート。FEAデータセットごとにレポートされるRMSおよびPVフィッティングエラー領域。右の図は、テキストファイル出力

自動化された一時的なワークフロー（複数の時点）

異なるフェーズ（地上、打ち上げ、軌道）、異なる時間（レーザーオフ、レーザーオン0秒、レーザーオン5秒、レーザーオン5分など）、異なる温度（0℃、25℃、50℃）など、さまざまなステージや動作モードでの解析が必要なアプリケーションでは、チームは複数のFEAデータセットを扱う必要があります。各ステージでFEAデータセットを光学面に割り当てるのは時間がかかり、エラーが発生しやすくなります。記事に添付のユーザー拡張機能は、データ割り当てを処理し、バックグラウンドで現在の携帯電話レンズのSTARシステムを追加します。

複数の時点のFEAデータセットをロードするには以下の手順に従ってください：

FEAデータセットが保存された適切な座標系を選択します。
次にロードするFEAデータのタイプを選択します。この例では、Structural Onlyにチェックを入れます。
- ユーザー拡張を使用すると、構造データのみ (Structural Only) 、熱データのみ (Thermal Only) 、または両方のデータをワンクリックで簡単にロードできます。
- 面にデータを割り当てると、そのテキストファイルの名前に従ってデータが適用されます。例えば、面5には、Surface_05_Temperature.txtが適用されます。元のレンズファイルの [レンズデータエディター] (Lens Data Editor) にダミー面や他のレンズ面が追加された場合、割り当てをオフセットすることが可能です。例えば、全レンズエレメントの前に2つの面が追加され、Assignment offset割り当てオフセットが2として設定された場合、Surface_05_Temperature.txt は7面に適用されます。
Load Multi FEAボタンをクリックします

図6.STAR User Extension の Load Multi FEA ボタン
表示されるフォルダーの参照ウィンドウで、さまざまな時点のFEAデータセットの複数のフォルダを選択し、[OK] (OK)をクリックします。
- バックグラウンドで、元のレンズシステムのコピーが作成され、次のファイル名の形式で保存されます。{original_lens_filename} + ‘sys’{n}.zos（例：710_reoptimized_MTF_materials_QType_sys6.zos）
- FEAデータセットを含む異なるOpticStudioのシステムが、テーブルにリストされ、各行は作成されたシステムを表します。
  
  図7.タイムステップごとに整理されたFEAデータセット
- ユーザー拡張機能により、各面のフィッティング設定とFEAデータセットのフィッティング結果を、レンズ設計ファイルと同じディレクトリにあるMultiFEAfitResults.txtに保存されます。
- ユーザー拡張機能は、この記事で使用されているファイル名の形式に従います。拡張子は、次の名前のFEAデータファイルのみを認識します：
  - Surface_XX_Temperature
  - Surface_XX_Deformation
  - Surface_XX_Temperature_deformed
- FEAデータセットが誤った形式や不適切な名前の場合、データのロード処理中にOpticStudioにエラーメッセージが表示されます。さらに、PVおよびRMSフィッティングの結果は0になります。
  
  図8.この例では、サポートされていない面タイプにFEAデータセットが割り当てられています。ロードまたはフィッティング処理中に問題が発生した場合、レポートされるフィッティングエラー (Fit Error) は0です
FEAデータセットをロードした状態で、ActiveFEA列のチェックボックスにチェックを入れると、その特定のシステムのSTARデータやその他のパフォーマンスをすばやく確認できます。

図9.STAR User ExtensionのActiveFEA列。チェックボックスをダブルクリックすると、別のシステムにすばやく変更できます
FEAデータセットを再度インポートせずに進行状況を保存して処理に戻るには、Save ボタンをクリックします。
- mygrid.binファイルは、C:\Users\...\Documents\Zemax\Configsに保存されます。
- Loadボタンをクリックすると、拡張の全データと関連する設定がbinファイルから読み込まれます。

システムレイアウトイメージのエクスポート

さまざまな時点からシステムビューを生成することは、時間範囲全体でシステムが受ける変化を理解するのに役立ちます。ZOS-API拡張を使用してマルチFEAデータをロードする場合、解析グラフィックウィンドウをさまざまなSTARシステムの画像ファイルとして保存するために、ZPLが自動的に生成されます。ZPLマクロはC:\Users\...\Documents\Zemax\Macros\ZPL Image Export.zplに保存されます。この例では、STAR のシステムビューアに注目して、問題のあるFEAデータセットに起因する明らかなエラーを検索します。

現在のファイルパスでSTARシステムを開くと、システムビューア機能はFEAがロードされているレンズファイルにのみ適用されます。
OpticStudio UIで、すべてのグラフィックウィンドウと解析ウィンドウ（レイアウトプロット、WFEマップなど）を閉じます。
コマンドリボン (Command Ribbon) で、[STARタブ] [STAR tab]→[システムビューア] (System Viewer)の順にクリックします。
コマンドリボン (Command Ribbon) で、[プログラミング] (Programming) タブ → [マクロリスト] (Macro List) の順で、ZPL Image Export.zplをクリックします。
マクロの実行後、イメージファイルは出力ディレクトリに保存されます。

- マクロは、表にリストされているすべてのシステムの画像をC:\TEMPにエクスポートします。
- 出力ディレクトリとその他の情報は、お好みに応じて変更することができます

この方法は、STARシミュレーションの他の解析結果の比較レポートを生成するために使用されます。

上記のZOS-API機能を使用することで、FEAデータセットの品質を迅速に理解し、FEA解析を行う際の実際の設定項目チェックやパラメータ調整についてメカエンジニアにフィードバックすることができます。

STAR User Analysis

ひとつのシステムですべての面のフィッティング結果を確認

FEAデータセットにユーザー拡張が割り当てられると、別のユーザー解析をロードして、すべてのシステムの結果の概要を表示できます。これにより、異なるタイムポイントから複数のデータセットグループを処理する場合のワークフローがより効率的になります。

複数の時点からの結果を解析するには、OpticStudio UIの [プログラミング] (Programming) タブで、[ユーザー解析] (User Analyzes) ウィンドウからSTARUSER_ANALYSISをクリックします。
STAR User Analysis ウィンドウで、[設定] (Settings) ドロップダウンボタンをクリックします。

図10.STAR User Analysis ウィンドウが表示されます。[設定] (Settings) ドロップダウンメニューをクリックして、設定ウィンドウを表示します
ひとつのシステム内のすべての光学面のフィッティング結果を確認するには、Check Fit Error / User Plotをクリックします。
- The right-side panel will change右側のパネルが変わります。
次の設定を変更し、OKをクリックします。
- Data：‌‍Structural
- STAR system：1
- Fit error：RMS + PV
  
  図11.フィッティング評価パネルでは、システム内のすべての光学面のフィッティングエラーを一度に表示できます
  
  図12.時点 1における各光学面のRMSおよびPVフィッティングエラー。各面のフィッティング設定が左側のコーナーに表示されます

すべての面と時点のRMSフィッティングエラーを表示

全時点の全光学面のフィッティングエラーを表示するには、Check Fit Error / User Plotをクリックします。
- 右側のパネルが変わります。
次の設定を変更し、OKをクリックします。
- Data: Structural
- STAR system: All
- Fit error: RMS
  
  図13.全システムの面に対するフィッティング評価。
STAR User Analysis ウィンドウで [更新] (Update) をクリックするとプロットが表示されます:

図14.各光学面のRMSフィッティングエラー。各行は別々の時点を表します
現在のフィッティング設定によるフィッティングエラー結果への影響は、すべてのSTARシステムのプロットで視覚化できます。例えば、OpticStudio UIでフィッティング設定を手動で変更し、データの読み込みをやり直してフィッティングエラーを比較することができます。
OpticStudio UIの [STAR] (STAR) タブで、[フィット アセスメント] (Fit Assessment)
面13と14のフィッティング設定を次のように変更します：
- [グリッド1] (Grid 1)：3
- [グリッド2] (Grid 2)：3
- [最大レベル] (Max Level)：9
[OK] (OK) をクリックします。

図15.各システムの光学表面のRMSフィッティングエラーが更新されます。Y軸が図14から変化していることに注意してください

STAR User Analysis析による一時的なパフォーマンス評価

FEAデータセットがロードされ、それぞれのフィッティングが実行されました。このようにして、同じ手法を使用して光パフォーマンスの解析を継続することができます。7つのSTARシステムは、異なる温度を表しています：それぞれ、-40℃, 60℃, 65℃, 70℃, 75℃, 80℃, 85℃。以下の結果は、異なる温度でのパフォーマンスが急速に低下することを示しています。

図16.元のシステムとSTARシステムのスポットダイアグラム解析の比較。左の画像は元のシステムパフォーマンスです。右の画像は、各温度ポイントのパフォーマンスを示しています
図17.最大視野のRMS半径。公称システムのRMSは9.998 μmですがこの視野の半径は元のサイズより8倍近く大きくなっていることに注意してください

さまざまな熱条件におけるレンズシステムのコントラストは、FFT MTF解析の結果をモニタリングすることで定量化することができます。公称システムのパフォーマンスは、室温から温度が変化するにつれて急速に低下します。室温以下またはそれ以上の温度では、パフォーマンスは仕様を下回ります。

図18.FFT MTF解析の比較。左の画像は、元のシステムパフォーマンスです。右の画像は、各温度ポイントにおける異なるサブシステムのFFT MTFを示します

[FFT スルーフォーカス MTF] (FFT Through Focus MTF) を使用すると、システムパフォーマンスをより詳細に把握することもできます。公称システムの場合、MTF値は、周波数が200 cycles/mmだと、画像面に対して± 0.015mmのシフト値で約0.2を超えています。ただし、温度が変化するとパフォーマンスピークは変化します。これにより、さまざまな熱条件下でぼやけた写真が発生する可能性があります。

図19.[FFT スルーフォーカス MTF] (FFT Through Focus MTF) の比較。左の画像は、元のシステムパフォーマンスです。右の画像は、FEAデータセットが適用されたサブシステムを示します

別のMTF低下は、視野に対するMTFで観察することができます。元のシステムのパフォーマンスは45 °の視野で動作するように設計されていましたが、温度が上昇するとMTFは38 °前後で0.2未満に低下します。

図20.視野に対するMTF解析。元のシステムは、最大45 °のFOVになるように設計されていました。左の画像は、元のシステムパフォーマンスです。右の画像は、さまざまな温度ポイントでのシステムパフォーマンスです

すべてのシステムの STOP 分析

これまで、ZOS-APIはフィッティングエラーを評価し、さまざまな解析の画像を提供するために使用されてきました。次のセクションでは、STAR User Analysis を使用して1Dおよび2Dプロットを生成し、さまざまなパフォーマンス評価指標を評価し、システムパフォーマンスを改善するための設計変更を行います。

温度範囲全体の光学システムのパフォーマンスを解析するために、ユーザー解析を利用して、温度に対するメリット関数オペランドを持つさまざまなパフォーマンス指標をプロットします。ユーザー解析では、次のようなプロットが可能です：

1Dプロット

独立変数:
- システム番号（温度条件やタイムステップなど）
- MFE で定義されたオペランドのパラメータを入力します。
- または、マルチコンフィギュレーションを使用して、MCEオペランド行を選択します。これは、プロットがオペランドによってより一般的に制御されるようにするためです。

XとZには以下の組み合わせがあり、テストの結果を表示できます。

独立X	従属Z
選択したオペランドのパラメータを入力	MFEオペランド行値
MCEオペランド行	MF値/MFEオペランド行値
異なるFEAがロードされたレンズファイル（さまざまな熱条件） 1つの曲線の状況	MF値/MFEオペランド行値
異なるFEAがロードされたレンズファイル（異なる熱条件）マルチシリーズ	MFEオペランド行値

2Dプロット
- 従属変数 Z は
  - MFEの評価関数値
  - MFEで定義された特定のオペランドの評価結果

1Dプロットで、さまざまなSTARシステムの平均MTF値を計算

OpticStudioの [メリットファンクションエディタ] (Merit function Editor) で、オペランドを新しい行に挿入します。
オペランドタイプをMTFAに変更し、次の値を入力します：
- [サンプリング] (Samp): 3（サンプリング）
- [波長] (Wave): 0（多色）
- [視野] (Field): 1 (軸上視野)
- [周波数] (Freq)：50（50 cycles/mmの空間周波数）
- [グリッド] (Grid): 0（MTFを計算する高速サンプリング積分法）
- [データタイプ] (Data Type): 0（リターン変調振幅）
- [目標値] (Target): 0
- [重み] (Weight): 0
STAR User Analysisで、[設定] (Settings) ドロップダウンメニューをクリックします。
X 設定を‌STAR systemに変更します。
Merit Operand Lineで、MTFAを選択します。
Multi Series のチェックボックスを有効にします。
以下の設定を指定します。
- パラメータドロップダウンでPar3を選択します。
  - MTFAオペランドの場合、Par3は視野番号を表します。
  - Starting value: 1
  - Stop value: 5
  - # steps: 5
  - MTFAオペランドの場合、Par3は視野番号を表します。これらの設定は、ユーザー解析で視野番号を1から5に変更し、平均MTFを収集します。
適切な設定を入力したら、[OK] をクリックしてウィンドウを更新します。

以下のグラフは、ユーザー解析の出力です。X軸は、異なる温度環境を表すSTARサブシステムを示しています。縦軸は、ステップ2で定義したMTFAオペランドの平均MTFです。色分けされた線は、手順7で定義したさまざまなフィールドポイントを表します。わかりやすくするために、グラフにラベルが追加されています。

図21.50 cycles/mmでのMTFAの解析。X軸は異なる時点を表します。各カラーの項目は、システムエクスプローラで定義された異なる視野点を表します。視野 4のパフォーマンスが最も低いことが示されています

空間周波数を100 cycles/mmに設定した2番目のグラフがユーザー解析拡張から生成されました。両方のプロットから、すべてのSTARサブシステムの視野4のパフォーマンスが悪いことは明らかです。

図22. 100 cycles/mmでのMTFAの解析。X軸は異なる時点を表します。各カラー項目は、システムエクスプローラで定義された異なる視野点を表します。視野 4のパフォーマンスが最も低いことが示されています

2Dプロットを使用して設計変更をシミュレートし、システムパフォーマンスを向上

システムパフォーマンスを向上させる可能性のある変更に関する設計インサイトを得るために、ユーザー解析では、複数のシステム構成のパフォーマンスを視覚化する2Dプロットを作成できます。このユーザー解析では、X軸はSTARシステムを表し、Y軸はコンフィグレーションを表します。この解析は、最後のレンズとイメージセンサー間の距離を調整した場合のシステムのパフォーマンスを評価するために使用されます。

2Dユーザー解析プロットを作成するには：

マルチコンフィグレーションエディタ（MCE）で、新しいオペランド行を追加します。
[オペランド] (Operand) プロパティのドロップダウンをクリックし、オペランドタイプを THIC (厚み) に変更します。
[面] (Surface) ドロップダウンメニューで16を選択します。

図23.面16にTHICオペランドが定義されたMCE。これにより、STARユーザー解析では、最後の光学面と像面の距離を変更し、光学系とセンサーの距離をシミュレートすることができます
User Analysis ウィンドウで、XをSTAR systemに変更します。
Y ドロップダウンで、Configurationを選択します。
以下の設定を指定します：
1. THICを選択します
2. Start Value: 0.285 (mm)
3. Stop Value: 0.365 (mm)
4. # Steps: 10
Merit Operand Line: MTFA
[OK] をクリックして [プロパティ] (Properties) ウィンドウを閉じます。

図24.STAR User Analysis でMTFAを使用して2Dプロットを作成するための設定

50 Cycles/mmおよび100 Cycles/mmでの平均MTFを示す2つのプロットが生成されました。

図25.STAR User Analysisで生成された2Dプロット。MTFAは、MCEで定義されたシステム番号とTHICオペランドを基準にプロットされます。左の画像は、50 cycles/mmでのMTFAです。右の画像は、100 cycles/mmでのMTFAです。

これらの画像から、最後のレンズとセンサー間の距離を約0.309mmに調整することで、平均MTFパフォーマンスが向上することが予測できます。

結論

この記事では、ZOS-API機能を使用してSTARモジュール内の操作を自動化し、FEAデータセットのインポートと解析プロットの生成を支援する方法について説明しました。