סימולציית סובלנות עבור מערכות אופטיות של מכשירים רפואיים

סובלנות היא לעתים קרובות שלב חיוני בהבנת דרישות הייצור/הרכבה של מערכת אופטית המיועדת לשימוש במכשירים רפואיים. השימוש בתוכנת עיצוב אופטי לסבילות סימולציות הוא כלי רב ערך לזיהוי שגיאות ייצור/יישור ספציפיות שניתן לאפשר והגבלות שלהן.

Zemax OpticStudio® היא תוכנת עיצוב אופטי פופולרית שיכולה להקל על העיצוב של מכשירים רפואיים אופטיים. התוכנה כוללת כלי רב תכליתי להדמיית ההשפעות של שגיאות סובלנות על הביצועים של מערכת אופטית. בבלוג זה, אנו נותנים סקירה בסיסית של סובלנות במצב הרציף של Zemax OpticStudio.

סובלנות הנדסית מגדירה כמה מקום יש לטעויות בייצור של חלק או מכלול. סובלנות היא חלק חשוב בתכנון אופטי עבור מכשירים רפואיים. מערכות אופטיות, כמו ערימות עדשות, יכולות להיות רגישות מאוד אפילו לשגיאות ייצור קטנות. אלה יכולים לכלול שגיאות בייצור של אלמנט אופטי, כגון סטיות מהצורה האידיאלית של עדשה, כמו גם שגיאות בהרכבה, כגון שגיאת מיקום או זווית במיקום/כיוון של אופטיקה מותקנת. לעתים קרובות יש צורך לחקור את הטלרנסים המקובלים בעת פיתוח מערכת אופטית, כדי להבטיח שהמערכת ניתנת לייצור וכדי להבין מהן הסבולות הקריטיות ביותר.

Zemax OpticStudio® כולל כלים להדמיית שגיאות ייצור/הרכבה בתוך גבולות סובלנות מוגדרים. כלי הסובלנות של OpticStudio משתמש ב-a שיטת מונטה קרלו, שבו וריאציות רבות של המערכת המתוכננת מדומה עם שגיאות משטח או יישור שונות, וביצועי כל וריאציה מוערכים על פי כמה קריטריונים מוגדרים. על ידי ביצוע סימולציה כזו על מספר רב של וריאציות של המערכת, ניתן להעריך את ההשפעה של פרמטרים שונים של יישור/משטח על ביצועי המערכת. בנוסף, ההשפעה המשולבת של שגיאות הסובלנות מתוארת סטטיסטית, כך שניתן להעריך את הביצועים הצפויים לאחוזונים שונים של מכשירים מיוצרים.

הגדרת פרמטרים

הצעד הראשון בסובלנות למערכת מעוצבת ב-OpticStudio הוא להגדיר את הפרמטרים ומגבלות הסבילות שיש לחקור.

במצב רציף של התוכנה (בו כל משטח אופטי באלמנט או מכלול מעוצב מוגדר בהתייחסות למשטח הקודם), ניתן להגדיר את גבולות הסבילות עבור פרמטרים שונים שהוגדרו מראש. אלה כוללים מדדי שבירה, מספר Abbe, רדיוסי העקמומיות, הריכוזיות של משטחים/אלמנטים, הטיה של משטחים/אלמנטים, עובי חומרים/פערי אוויר וגודל אי-סדירות פני השטח (כלומר, סטיות מהצורה האידיאלית של המשטח) . המשתמש יכול גם להגדיר פרמטרים אחרים של העיצוב שלהם לסובלנות (לדוגמה, וריאציות בפרמטר הקוני של משטח אופטי אספרי).

ניתן להגדיר את הפרמטרים הנפוצים ביותר לסובלנות ואת גבולותיהם באמצעות אשף הסובלנות של OpticStudio. הפרמטרים שניתן להגדיר באמצעות אשף הסובלנות מוצגים להלן:

איור 1: אשף הסובלנות של OpticStudio

שימו לב גם לתיבה "אפשרויות" המאפשרת למשתמש להגדיר את משטחי המודל שיש לכלול בניתוח הסובלנות. המשתמש יכול גם להגדיר אורך גל בדיקה המתייחס לשיטה אינטרפרומטרית נפוצה להערכת הדיוק של משטח אופטי מיוצר. ההגדרה של כמה מגבלות סובלנות ב"שוליים" מתייחסת גם לשיטה זו; ניתן למצוא סקירה קצרה של השיטה כאן.

אפשרות חשובה נוספת היא "השתמש בפיצוי פוקוס" המאפשר להזיז את מישור התמונה בציר עבור כל וריאציה מדומה של המערכת כדי לייעל את המיקוד במישור התמונה. ניתן לחשוב על אפשרות זו כמתאימה לשלב פיצוי בייצור שבו הפוקוס של מערכת מיוצרת "נכנס" על ידי התרת המרחק הצירי של מישור התמונה (לדוגמה, מיקום חיישן המצלמה ביחס לעדשה ) להתאמה קלה לאחר בניית המערכת.

מחוץ לאשף הסובלנות, ניתן להשתמש ב"עורך נתוני הסובלנות" כדי להגדיר פרמטרי סובלנות פחות נפוצים. בנוסף, ניתן להגדיר פרמטרים אחרים מלבד המרחק הצירי של מישור התמונה באותו עורך כמפצים נוספים שיש לגוון כדי לשפר את המיקוד.

קריטריוני ביצועים

כדי ש-OpticStudio יעריך את הביצועים של כל וריאציה של המערכת המתוכננת, יש להגדיר קריטריון ביצועים. הגדרה זו נעשית בכלי הסובלנות לפני התחלת סימולציות של מונטה קרלו. כמה דוגמאות נפוצות לקריטריונים של ביצועים כוללות את גודל הנקודה RMS (כלומר, גודל הנקודה הריבועית הבסיסית שאור ממקור דמוי נקודה מתמקד אליו במישור התמונה) ופונקציית העברת האפנון (MTF) בהגדרה מוגדרת על ידי המשתמש. תדירות (מדד למידת הניגודיות בתמונה ממוקדת יכולה להישמר על ידי מערכת הדמיה עבור תדר מרחבי נתון). ניתן להשתמש גם בפונקציית זכות מוגדרת בשימוש, שעשויה להיות שילוב של קריטריונים משוקללים מרובים. אותה פונקציית יתרונות משמשת גם להגדרת קריטריוני ביצועים בעת שימוש בכלי האופטימיזציה של OpticStudio.

מספר הגדרות אחרות לקריטריונים לביצועים זמינים גם כן. למשתמש יש אפשרות להגדיל או להקטין את מספר הקרניים המשמשות בסימולציית הסובלנות ("דגימה"), כאשר מספרים נמוכים יותר מהירים אך פחות מדויקים. להיפך. המשתמש יכול גם לבחור באילו פרמטרים להשתנות עבור פיצוי מיקוד (מיקוד צירי בלבד, כל המפצים המוגדרים על ידי המשתמש, או ללא מפצים) ובאיזה שיטת אופטימיזציה להשתמש עבור המפצים ("קומפ"; "מחזורים" מגדיר בכמה מחזורים לרוץ אופטימיזציה של פיצוי המיקוד). אם למערכת המתוכננת יש תצורות מרובות, המשתמש יכול להגדיר אילו תצורה(ות) יש לסבול ("תצורה"). לבסוף, המשתמש יכול להגדיר אילו מנקודות השדה המוגדרות יש להעריך בסובלנות ועם איזו סימטריה על הציר האופטי ("שדות").

איור 2: לשונית קריטריון של הכלי Tolerancing של OpticStudio, המציגה את הגדרות ברירת המחדל.

הגדרת סובלנות

מספר מצבים שונים זמינים להערכת האופן שבו קריטריוני הביצועים משתנים עם כל פרמטר סובלנות. לדוגמה, מצב ה"רגישות" מחשב את השינוי בקריטריוני הביצועים בכל אחד ממגבלות הסובלנות שהוגדרו. אנו נשתמש במצב זה למטה – פרטים על המצבים האחרים ניתן למצוא במערכת העזרה של OpticStudio. אפשרות הפולינום מאפשרת להעריך את הרגישות במספר ערכים של פרמטרי הסובלנות ולהתאים ל-3^{מחקר ופיתוח} או 5^ה' סדר פולינום, שניתן להשתמש בו כדי להאיץ את ניתוחי הרגישות הבאים כאשר חלק מערכי הסובלנות משתנים, באמצעות אפשרויות "מטמון".

מספר אפשרויות נוספות כלולות: המשתמש יכול להגדיר כיצד מחושבים שינויים בקריטריונים לביצועים ("שינוי"); או כשינוי ליניארי בערך הקריטריון הנומינלי, או כהפרש שורש-סכום בריבוע. המשתמש יכול לכפות על שימוש בכיוון הקרניים (שיטה איטרטיבית בשימוש על ידי Zemax כדי להבטיח שהקרניים המדומות ממלאות במדויק את משטח העצירה של המערכת) בעת הערכת הסובלנות. לבסוף, המשתמש יכול לבחור להעריך שינויים בקריטריונים לביצועים עבור כל אחד מהשדות והתצורות של המערכת בנפרד, בעוד שהשינויים בכל השדות והתצורות מחושבים כממוצע אחרת.

איור 3: לשונית ההגדרה של כלי הסובלנות של OpticStudio

לשונית מונטה קרלו מאפשרת למשתמש להגדיר את מספר הווריאציות של המערכת לבדיקה בסימולציית הסובלנות, יחד עם ההתפלגות הסטטיסטית שתשמש בדיווח על תוצאות. המשתמש יכול גם להגדיר כמה מהמערכות המגוונות לשמור לניתוח, ויש לו אפשרות לשמור את המערכות הטובות והגרועות ביותר שנבדקו, לפי קריטריוני הביצועים שהוגדרו. לבסוף, האפשרות "Overlay Monte Carlo Graphics" מכסה תוצאות ניתוח עבור כל אחת מהמערכות המגוונות בכל אחד מחלונות הניתוח הפתוחים (למשל, דיאגרמת הנקודה הסטנדרטית) שיכולה להיות שימושית להבנת ההשפעה של שגיאות סובלנות על מדדי ביצועים שונים.

איור 4: אפשרויות מונטה קרלו של כלי הסובלנות של OpticStudio

דוגמה: A Simple Asphere

שקול את הדוגמה של אספירה מותאמת אישית פשוטה המשמשת לצילום אובייקט תחת תאורה מונוכרומטית במרחק נתון על פני שדה ראייה קטן. הוגדרו שתי נקודות שדה, אחת על הציר האופטי ואחת 0.5 מ"מ מעל הציר האופטי. הפרמטרים של משטח האספרה (רדיוס עקמומיות, חרוט ו-4^ה' ו-6^ה' סדר asphere) עבר אופטימיזציה כדי למזער את גודל הנקודה הממוצעת הממוצעת בכל השדות. אנו נריץ ניתוח סובלנות על מערכת זו, תוך שימוש בפרמטרים ומגבלות הסובלנות, הקריטריון וההגדרות המוצגים באיורים שלמעלה. האספרה האופטימלית מוצגת להלן.

איור 5: עיצוב אספרה מותאם אישית

עם השלמת סימולציית הסובלנות, OpticStudio מחזירה את נתוני הסובלנות יחד עם דוח סיכום. הסיכום כולל ניתוח רגישות, המראה כיצד ערך קריטריוני הביצועים (במקרה זה, גודל נקודת ה-RMS הממוצע של כל השדות המדומים במילימטרים) מושפע מכל פרמטר סובלנות אינדיבידואלי, יחד עם זיהוי פרמטרי הביצועים המשפיעים ביותר, המוצגים. למטה (איור 6).

איור 6: פרמטרי הסובלנות המשפיעים ביותר לפי סימולציית מונטה קרלו

עבור כל אחד מהפרמטרים הללו (המפורטים לפי קוד האופרנד הסובלני שלהם), מוצגים השינוי בקריטריון הביצועים וערך הקריטריון המתקבל. הפרמטרים המשפיעים ביותר מבין אלה שנבדקו הם הטיות של המשטח האספרי סביב צירי X ו-Y המשתנים הן בזוויות השליליות והן בזוויות החיוביות (TETX ו-TETY; שני המספרים לאחר האופרנדים מתייחסים למשטח הראשון והאחרון המוטות, מה שעשוי להיות משטח בודד, או מספר משטחים התואמים אלמנט או קבוצת אלמנטים).

הסיכום מציג גם מדדים סטטיסטיים שונים של…