La tolerancia suele ser un paso esencial para comprender los requisitos de fabricación/ensamblaje de un sistema óptico diseñado para su uso en dispositivos médicos. El uso de software de diseño óptico para simulaciones de tolerancia es una herramienta valiosa para identificar los errores específicos de fabricación/alineación que se pueden permitir y sus límites.

Estudio Óptico Zemax® es un popular software de diseño óptico que puede facilitar el diseño de dispositivos médicos ópticos. El software incluye una herramienta versátil para simular los efectos de los errores de tolerancia en el rendimiento de un sistema óptico. En este blog, brindamos una descripción general básica de la tolerancia en el modo secuencial de Zemax OpticStudio.

Las tolerancias de ingeniería definen cuánto margen de error hay en la fabricación de una pieza o ensamblaje. La tolerancia es una parte importante del diseño óptico para dispositivos médicos. Los sistemas ópticos, como las pilas de lentes, pueden ser muy sensibles incluso a pequeños errores de fabricación. Estos podrían incluir errores en la fabricación de un elemento óptico, como desviaciones de la forma ideal de una lente, así como errores de ensamblaje, como errores de posición o angulares en la ubicación/orientación de una óptica montada. A menudo, es necesario investigar las tolerancias aceptables al desarrollar un sistema óptico, para garantizar que el sistema se pueda fabricar y comprender cuáles son las tolerancias más críticas.

Estudio Óptico Zemax® incluye herramientas para simular errores de fabricación/ensamblaje dentro de los límites de tolerancia definidos. La herramienta de tolerancia de OpticStudio utiliza un Método de Monte Carlo, en el que se simulan muchas variaciones del sistema diseñado con varios errores de alineación o superficie, y el rendimiento de cada variación se evalúa de acuerdo con algunos criterios definidos. Al realizar una simulación de este tipo en un gran número de variaciones del sistema, se puede evaluar el impacto de varios parámetros de alineación/superficie en el rendimiento del sistema. Además, el impacto combinado de los errores de tolerancia se describe estadísticamente, por lo que se puede evaluar el rendimiento esperado para varios percentiles de dispositivos fabricados.

Definición de parámetros

El primer paso para tolerar un sistema diseñado en OpticStudio es definir los parámetros y los límites de tolerancia que se investigarán.

En el modo secuencial del software (en el que cada superficie óptica de un elemento o conjunto diseñado se define en referencia a la superficie anterior), se pueden definir los límites de tolerancia para varios parámetros predefinidos. Estos incluyen índices de refracción, número de Abbe, radios de curvaturas, descentración de superficies/elementos, inclinación de superficies/elementos, espesores de materiales/entrehierros y la magnitud de las irregularidades de la superficie (es decir, desviaciones de la forma ideal de la superficie) . El usuario también puede definir otros parámetros de su diseño para tolerar (por ejemplo, variaciones en el parámetro cónico de una superficie óptica asférica).

Los parámetros más comunes a tolerar y sus límites se pueden definir mediante el asistente de tolerancia de OpticStudio. Los parámetros que se pueden definir a través del Asistente de tolerancia se muestran a continuación:

Figura 1 y XNUMX: Asistente de tolerancia de OpticStudio

Tenga en cuenta también el cuadro de "opciones" que permite al usuario definir las superficies del modelo para incluir en el análisis de tolerancia. El usuario también puede definir una longitud de onda de prueba que se relaciona con un método interferométrico común para evaluar la precisión de una superficie óptica fabricada. La definición de algunos límites de tolerancia en “franjas” también se relaciona con este método; se puede encontrar una breve descripción del método esta página.

Otra opción importante es "Usar compensación de enfoque", que permite que el plano de la imagen se mueva axialmente para cada variación simulada del sistema para optimizar el enfoque en el plano de la imagen. Se puede pensar que esta opción corresponde a un paso de compensación en la fabricación en el que el enfoque de un sistema fabricado se "marca" al permitir la distancia axial del plano de la imagen (por ejemplo, la ubicación de un sensor de cámara en relación con una lente). ) para ajustarse ligeramente después de que se haya construido el sistema.

Fuera del Asistente de tolerancia, el "Editor de datos de tolerancia" se puede utilizar para definir parámetros de tolerancia menos comunes. Además, otros parámetros además de la distancia axial del plano de la imagen se pueden definir en el mismo editor como compensadores adicionales para variar para mejorar el enfoque.

Criterio de desempeño

Para que OpticStudio evalúe el rendimiento de cada variación del sistema diseñado, se debe definir un criterio de rendimiento. Esta definición se realiza en la herramienta de tolerancia antes de iniciar las simulaciones de Monte Carlo. Algunos ejemplos comunes de criterios de rendimiento incluyen el tamaño de punto RMS (es decir, el tamaño de punto cuadrático medio en el que la luz de una fuente puntual se enfoca en el plano de la imagen) y la función de transferencia de modulación (MTF) en un punto definido por el usuario. frecuencia (una medida del grado en que el contraste en una imagen enfocada puede ser mantenido por un sistema de imágenes para una frecuencia espacial determinada). También se puede utilizar una función de mérito definida por el usuario, que puede ser una combinación de múltiples criterios ponderados. La misma función de mérito también se utiliza para definir los criterios de rendimiento cuando se utiliza la herramienta de optimización de OpticStudio.

También están disponibles otras configuraciones para los criterios de rendimiento. El usuario tiene la opción de aumentar o disminuir el número de rayos utilizados en la simulación de tolerancia ("Muestreo"), siendo los números más bajos más rápidos pero menos precisos y viceversa. El usuario también puede elegir qué parámetros variar para la compensación de enfoque (solo enfoque axial, todos los compensadores definidos por el usuario o ningún compensador) y qué método de optimización usar para los compensadores ("Comp"; "Ciclos" define cuántos ciclos ejecutar optimizar la compensación de enfoque). Si el sistema diseñado tiene múltiples configuraciones, el usuario puede definir qué configuración(es) serán toleradas ("Configuración"). Finalmente, el usuario puede definir cuál de los puntos de campo definidos se evaluará en tolerancia y con qué simetría sobre el eje óptico ("Campos").

Figura 2 y XNUMX: La pestaña Criterio de la herramienta Tolerancia de OpticStudio, que muestra la configuración predeterminada.

Configuración de tolerancia

Hay varios modos diferentes disponibles para evaluar cómo varían los criterios de rendimiento con cada parámetro de tolerancia. Por ejemplo, el modo de "sensibilidad" calcula el cambio en los criterios de rendimiento en cada uno de los límites de tolerancia definidos. Usaremos este modo a continuación; los detalles de los otros modos se pueden encontrar en el sistema de ayuda de OpticStudio. La opción polinomial permite que la sensibilidad se evalúe en múltiples valores de los parámetros de tolerancia y ajuste con un 3^rd o 5^th polinomio de orden, que se puede utilizar para acelerar los análisis de sensibilidad posteriores cuando se cambian algunos de los valores de tolerancia, a través de las opciones de "Caché".

Se incluyen varias otras opciones: el usuario puede definir cómo se calculan los cambios en los criterios de rendimiento ("Cambio"); ya sea como un cambio lineal en el valor del criterio nominal, o como una diferencia de raíz-suma cuadrada. El usuario puede forzar el apuntamiento de rayos (un método iterativo utilizado por Zemax para garantizar que los rayos simulados llenen con precisión la superficie de tope del sistema) para que se use al evaluar las tolerancias. Finalmente, el usuario puede optar por evaluar los cambios en los criterios de rendimiento para cada uno de los campos y configuraciones del sistema individualmente, mientras que los cambios en todos los campos y configuraciones se calculan como un promedio de lo contrario.

Figura 3 y XNUMX: La pestaña de configuración de la herramienta de tolerancia de OpticStudio

La pestaña Monte Carlo permite al usuario establecer el número de variaciones del sistema para probar en la simulación de tolerancia, junto con la distribución estadística que se usará para informar los resultados. El usuario también puede definir cuántos de los sistemas variados guardar para el análisis y tiene la opción de guardar los mejores y peores sistemas probados, según los criterios de rendimiento definidos. Finalmente, la opción "Superponer gráficos de Monte Carlo" superpone los resultados del análisis para cada uno de los sistemas variados en cada una de las ventanas de análisis abiertas (p. ej., el diagrama de puntos estándar), lo que puede ser útil para comprender el impacto de los errores de tolerancia en varias métricas de rendimiento.

Figura 4 y XNUMX: Opciones de Monte Carlo de la herramienta de tolerancia de OpticStudio

Ejemplo: una esfera simple

Considere el ejemplo de una asfera personalizada simple que se usa para obtener imágenes de un objeto bajo iluminación monocromática a una distancia determinada en un campo de visión pequeño. Se han definido dos puntos de campo, uno en el eje óptico y otro 0.5 mm por encima del eje óptico. Los parámetros de la superficie de la asfera (radio de curvatura, cónica y 4^th y séptima^th order asphere terms) se han optimizado para minimizar el tamaño promedio del punto enfocado en todos los campos. Ejecutaremos un análisis de tolerancia en este sistema, utilizando los parámetros y límites de tolerancia, el criterio y la configuración que se muestran en las figuras anteriores. La asfera optimizada se muestra a continuación.

Figura 5 y XNUMX: Un diseño personalizado de Asphere

Una vez completada la simulación de tolerancia, OpticStudio devuelve los datos de tolerancia junto con un informe resumido. El resumen incluye un análisis de sensibilidad, que muestra cómo el valor de los criterios de rendimiento (en este caso, el tamaño de punto RMS medio de todos los campos simulados en milímetros) se ve afectado por cada parámetro de tolerancia individual, junto con la identificación de los parámetros de rendimiento más impactantes, que se muestran abajo (Figura 6).

Figura 6 y XNUMX: Los parámetros de tolerancia más impactantes según la simulación de Monte Carlo

Para cada uno de estos parámetros (enumerados por su código de operando de tolerancia), se muestran el cambio en el criterio de rendimiento y el valor del criterio resultante. Los parámetros más impactantes de los probados son las inclinaciones de la superficie asférica alrededor de los ejes X e Y que varían tanto en ángulos negativos como positivos (TETX y TETY; los dos números después de los operandos se refieren a la primera y la última superficie inclinada, lo que puede ser una sola superficie, o varias superficies correspondientes a un elemento o grupo de elementos).

El resumen también muestra varias medidas estadísticas del rendimiento de los sistemas tolerados simulados (Figura 7). Se proporciona el mejor, el peor, el promedio y la desviación estándar en términos del valor de los criterios de rendimiento para los sistemas simulados, junto con el rendimiento alcanzado por varios percentiles de los sistemas simulados.

Figura 7 y XNUMX: Medidas Estadísticas de los Sistemas Simulados Monte Carlo

Si se conocen las métricas de rendimiento requeridas, estas métricas se pueden usar para evaluar qué porcentaje de sistemas ensamblados es probable que cumplan con el rendimiento requerido. Por ejemplo, si la asfera está tomando imágenes del sensor de una cámara, el diseñador puede requerir que el tamaño de punto RMS no sea mayor que algún múltiplo del tamaño de píxel. Luego, el diseñador puede ver el porcentaje de rendimiento que se esperaría para cumplir con ese rendimiento, según las estadísticas que se muestran. Si se determina que el rendimiento es inaceptable, el diseñador puede buscar ajustar algunas de las tolerancias para la fabricación, en particular aquellas que se consideran más impactantes. Por otro lado, si se encuentra que las tolerancias son mucho más estrictas de lo necesario, el diseñador puede aflojar algunas tolerancias si al hacerlo reduce el costo de fabricación o el tiempo del ciclo.

Tenga en cuenta que, debido a que se permitió una compensación de enfoque, la fabricación de este sistema necesitaría involucrar un paso en el que el enfoque se "marca" y/o se necesitaría un ajustador en el sistema final para lograr el rendimiento simulado. En cuanto a las estadísticas del compensador, se espera que la ubicación del plano focal pueda variar hasta ~±0.140 mm, o alrededor del 0.6 % de la distancia desde la superficie posterior de la lente hasta el plano focal (nominalmente, 25 mm).

Una vista más intuitiva

En general, se debe utilizar un criterio de rendimiento cuantitativo bien definido para garantizar que un sistema fabricado con tolerancia cumpla con el rendimiento requerido para su aplicación. Con eso en mente, también podemos obtener una imagen más intuitiva de los efectos de los errores de tolerancia ejecutando análisis en los sistemas guardados durante la simulación de Monte Carlo.

Como ejemplo, considere el uso de la asfera diseñada para obtener imágenes de un objeto de 1 mm de ancho. Con la función de análisis de imágenes geométricas de OpticStudio, podemos simular la imagen resultante en nuestro sistema nominal, así como en algunos de los sistemas guardados durante la simulación de Monte Carlo, como el sistema de peor rendimiento. Aquí simulamos la imagen de una letra monocromática "F" de 1 mm de altura. Tenga en cuenta que la imagen se reduce en comparación con el objeto, ya que la distancia de la imagen es menor que la distancia del objeto. Se muestra la imagen resultante para los sistemas nominales y de peor rendimiento.

Figura 8 y XNUMX: Imagen simulada de una "F" monocromática de 1 mm de altura en el sistema nominal (izquierda) y en el sistema de peor rendimiento de la simulación Monte Carlo (derecha)

Vemos que la imagen formada por el sistema de peor desempeño está significativamente borrosa en comparación con la del sistema nominal, pero no lo suficiente como para que la letra sea ilegible. Si la aplicación (algo poco realista) del sistema de lentes es simplemente generar una imagen legible de texto monocromático de alto contraste de 1 mm de altura en un detector y los detalles cuantitativos no son importantes, podemos concluir que los límites de tolerancia especificados probablemente sean adecuados.

Resumen

En este blog, hemos brindado una descripción general básica de la herramienta de tolerancia en el modo secuencial de Zemax OpticStudio. Esta herramienta simula los efectos sobre el rendimiento de un sistema óptico diseñado cuando sus parámetros de alineación y/o fabricación varían dentro de los límites de tolerancia definidos. Luego se puede evaluar la sensibilidad del sistema a parámetros específicos, junto con medidas estadísticas, el rendimiento esperado de muchos sistemas ensamblados.

Imágenes: StarFish Medical

Ryan Field es un Ingeniero óptico en StarFish Medical. Ryan tiene un doctorado en Física de la Universidad de Toronto. Como becario postdoctoral, trabajó en el desarrollo de sistemas láser infrarrojos de picosegundos de alta potencia para aplicaciones quirúrgicas, así como un espectrómetro de materiales domésticos.



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• Fuente: https://starfishmedical.com/blog/tolerancing-simulation-for-medical-device-optical-systems/