Meditsiiniseadmete optiliste süsteemide talutav simulatsioon

Tolerantsus on sageli oluline samm meditsiiniseadmetes kasutamiseks mõeldud optilise süsteemi tootmis-/monteerimisnõuete mõistmisel. Optilise projekteerimistarkvara kasutamine simulatsioonide talumiseks on väärtuslik vahend konkreetsete lubatavate tootmis-/joondusvigade ja nende piiride tuvastamiseks.

Zemax OpticStudio® on populaarne optilise disaini tarkvara, mis hõlbustab optiliste meditsiiniseadmete projekteerimist. Tarkvara sisaldab mitmekülgset tööriista tolerantsivigade mõju simuleerimiseks optilise süsteemi jõudlusele. Selles ajaveebis anname põhiülevaate tolerantsuse kohta Zemax OpticStudio järjestikuses režiimis.

Tehnilised tolerantsid määravad, kui palju ruumi on osa või koostu valmistamisel vigade jaoks. Tolerantsus on meditsiiniseadmete optilise disaini oluline osa. Optilised süsteemid, näiteks objektiivivirnad, võivad olla väga tundlikud isegi väikeste tootmisvigade suhtes. Need võivad hõlmata vigu optilise elemendi valmistamisel, nagu kõrvalekalded objektiivi ideaalsest kujust, samuti vigu kokkupanekul, nagu asendi- või nurgaviga paigaldatud optika asukohas/orientatsioonis. Sageli on optilise süsteemi väljatöötamisel vaja uurida vastuvõetavaid tolerantse, et tagada süsteemi valmistatavus ja mõista, millised on kõige kriitilisemad tolerantsid.

Zemax OpticStudio® sisaldab tööriistu tootmis-/monteerimisvigade simuleerimiseks kindlaksmääratud tolerantsi piirides. OpticStudio tolerantsitööriist kasutab a Monte Carlo meetod, kus kavandatud süsteemi paljusid variatsioone simuleeritakse erinevate pinna- või joondusvigadega ning iga variatsiooni toimivust hinnatakse teatud määratletud kriteeriumide järgi. Tehes sellist simulatsiooni paljudel süsteemi variatsioonidel, saab hinnata erinevate joondus-/pinnaparameetrite mõju süsteemi jõudlusele. Lisaks kirjeldatakse statistiliselt tolerantsivigade kombineeritud mõju, nii et saab hinnata toodetud seadmete erinevate protsentiilide eeldatavat jõudlust.

Parameetrite määratlemine

Esimene samm OpticStudio kavandatud süsteemi tolerantsimisel on uuritavate parameetrite ja tolerantsipiiride määratlemine.

Tarkvara järjestikuses režiimis (milles kavandatud elemendi või koostu iga optiline pind on määratletud viitega eelmisele pinnale) saab tolerantsipiirid määratleda erinevatele etteantud parameetritele. Nende hulka kuuluvad murdumisnäitajad, Abbe arv, kõverusraadiused, pindade/elementide detsentratsioon, pindade/elementide kalle, materjalide paksused/õhuvahed ja pinna ebatasasuste suurus (st kõrvalekalded pinna ideaalsest vormist). . Kasutaja saab määrata ka muid oma disaini parameetreid tolerantsi jaoks (näiteks asfäärilise optilise pinna koonuse parameetri variatsioonid).

Levinumaid tolerantsitavaid parameetreid ja nende piiranguid saab määratleda OpticStudio tolerantsi viisardi abil. Allpool on näidatud parameetrid, mida saab tolerantsiviisardi kaudu määratleda.

Joonis 1: OpticStudio tolerantsi viisard

Pange tähele ka valikute kasti, mis võimaldab kasutajal määratleda tolerantsi analüüsi kaasatavad mudelipinnad. Kasutaja saab määrata ka katse lainepikkuse, mis on seotud valmistatud optilise pinna täpsuse hindamise ühise interferomeetrilise meetodiga. Selle meetodiga on seotud ka mõningate tolerantsipiiride määratlus „ääretes”; meetodi lühiülevaate leiate siin.

Teine oluline valik on "Kasuta fookuse kompenseerimist", mis võimaldab süsteemi iga simuleeritud variatsiooni jaoks pilditasandit aksiaalselt liigutada, et optimeerida fookust pilditasandil. Seda valikut võib pidada vastavaks tootmise kompensatsioonietapile, kus toodetud süsteemi fookus "valitakse sisse", võimaldades pilditasandi telgkaugust (näiteks kaamera anduri asukohta objektiivi suhtes). ), mida tuleb pärast süsteemi ehitamist veidi reguleerida.

Väljaspool tolerantsi viisardit saab tolerantsiandmete redaktorit kasutada vähem levinud tolerantsiparameetrite määratlemiseks. Lisaks saab samas redaktoris defineerida ka muid parameetreid peale kujutise tasapinna teljekauguse täiendavate kompensaatoritena, mida fookuse parandamiseks muuta.

Toimivuskriteeriumid

Et OpticStudio saaks hinnata kavandatud süsteemi iga variandi toimivust, tuleb määratleda jõudluskriteerium. See määratlus tehakse tolerantsitööriistas enne Monte Carlo simulatsioonide käivitamist. Mõned levinumad toimivuskriteeriumide näited hõlmavad RMS-punkti suurust (st täpi ruutkeskmist suurust, millesse punkt-sarnase allika valgus pilditasandil teravustab) ja modulatsiooni edastusfunktsiooni (MTF) kasutaja määratletud väärtusel. sagedus (mõõdik selle kohta, mil määral suudab pildistamissüsteem antud ruumilise sageduse korral säilitada teravustatud kujutise kontrasti). Kasutada saab ka kasutatud-defineeritud teenete funktsiooni, mis võib olla mitme kaalutud kriteeriumi kombinatsioon. Sama teenete funktsiooni kasutatakse ka jõudluskriteeriumide määratlemiseks OpticStudio optimeerimistööriista kasutamisel.

Saadaval on ka mitmed muud jõudluskriteeriumi seaded. Kasutajal on võimalus suurendada või vähendada tolerantsimulatsioonis (“proovi võtmine”) kasutatavate kiirte arvu, kusjuures väiksemad arvud on kiiremad, kuid vähem täpsed ja vastupidi. Samuti saab kasutaja valida, milliseid parameetreid fookuse kompenseerimiseks muuta (ainult aksiaalne fookus, kõik kasutaja määratletud kompensaatorid või ilma kompensaatoriteta) ja millist optimeerimismeetodit kompensaatorite jaoks kasutada ("Comp"; "Cycles" määrab, mitu tsüklit töötada fookuse kompensatsiooni optimeerimine). Kui kavandatud süsteemil on mitu konfiguratsiooni, saab kasutaja määrata, milliseid konfiguratsioone lubatakse (“konfiguratsioon”). Lõpuks saab kasutaja määrata, milliseid defineeritud väljapunkte hinnata tolerantsus ja millise sümmeetriaga optilise telje suhtes (“väljad”).

Joonis 2: OpticStudio Tolerantsi tööriista vahekaart Kriteerium, mis näitab vaikesätteid.

Tolerantne seadistus

Saadaval on mitu erinevat režiimi, et hinnata, kuidas toimivuskriteeriumid iga tolerantsi parameetriga varieeruvad. Näiteks režiim "tundlikkus" arvutab jõudluskriteeriumide muutuse iga määratletud tolerantsi piiri juures. Kasutame seda režiimi allpool – teiste režiimide üksikasjad leiate OpticStudio abisüsteemist. Polünoomivalik võimaldab tundlikkust hinnata tolerantsiparameetrite mitme väärtusega ja sobitada 3-ga^rd või 5^th järjestuse polünoom, mida saab kasutada järgmiste tundlikkuse analüüside kiirendamiseks, kui mõnda tolerantsi väärtust muudetakse, kasutades suvandeid "Vahemälu".

Kaasatud on ka mitmed muud valikud: Kasutaja saab määrata, kuidas toimivuskriteeriumide muudatusi arvutatakse ("Muuda"); kas lineaarse muutusena kriteeriumi nimiväärtuses või juursumma-ruutvahena. Kasutaja saab tolerantside hindamisel sundida kasutama kiirte sihtimist (iteratiivne meetod, mida Zemax kasutab selle tagamiseks, et simuleeritud kiired täidaksid täpselt süsteemi peatuspinna). Lõpuks saab kasutaja valida, kas hinnata süsteemi iga välja ja konfiguratsiooni jõudluskriteeriumide muutusi eraldi, samas kui muudel juhtudel arvutatakse kõigi väljade ja konfiguratsioonide muudatused keskmisena.

Joonis 3: OpticStudio tolerantsitööriista seadistamise vahekaart

Monte Carlo vahekaart võimaldab kasutajal määrata tolerantsuse simulatsioonis testitavate süsteemi variatsioonide arvu ja tulemuste aruandluses kasutatava statistilise jaotuse. Samuti saab kasutaja määrata, kui palju erinevaid süsteeme analüüsimiseks salvestada, ning tal on võimalus salvestada parimad ja halvimad testitud süsteemid vastavalt määratletud jõudluskriteeriumidele. Lõpuks katab suvand „Monte Carlo graafika katmine” iga varieeruva süsteemi analüüsitulemused igas avatud analüüsiaknas (nt standardpunkti diagramm), mis võib olla kasulik, et mõista tolerantsivigade mõju erinevatele jõudlusmõõdikutele.

Joonis 4: OpticStudio tolerantsitööriista Monte Carlo valikud

Näide: Lihtne asfäär

Vaatleme näidet lihtsast kohandatud asfäärist, mida kasutatakse objekti kujutamiseks monokromaatilise valgustuse all teatud kaugusel väikesel vaateväljal. Määratud on kaks väljapunkti, üks optilisel teljel ja üks 0.5 mm optilisest teljest kõrgemal. Asfääri pinna parameetrid (kõverusraadius, koonus ja 4^th ja 6^th tellida asfääri termineid) on optimeeritud, et minimeerida keskmist fookuspunkti suurust kõigil väljadel. Käitame selle süsteemi tolerantsi analüüsi, kasutades ülaltoodud joonistel näidatud tolerantsi parameetreid ja piire, kriteeriumi ja sätteid. Optimeeritud asfäär on näidatud allpool.

Joonis 5: kohandatud asfääriline disain

Pärast tolerantsi simulatsiooni lõppu tagastab OpticStudio tolerantsi andmed koos kokkuvõtliku aruandega. Kokkuvõte sisaldab tundlikkuse analüüsi, mis näitab, kuidas toimivuskriteeriumi väärtust (antud juhul kõigi simuleeritud väljade keskmist RMS-punkti suurust millimeetrites) mõjutab iga individuaalne tolerantsi parameeter, ning kõige mõjuvamate toimivusparameetrite tuvastamine, mis on näidatud. allpool (joonis 6).

Joonis 6: Monte Carlo simulatsiooni kõige mõjukamad tolerantsiparameetrid

Kõigi nende parameetrite puhul (loetletud nende tolerantse operandi koodi järgi) kuvatakse jõudluskriteeriumi muutus ja sellest tulenev kriteeriumi väärtus. Testitavatest parameetritest on kõige mõjuvamad asfäärilise pinna kalded X- ja Y-telgede ümber, mida varieeruvad nii negatiivsed kui ka positiivsed nurgad (TETX ja TETY; kaks numbrit pärast operandi viitavad esimesele ja viimasele kallutatud pinnale, mis võib olla üks pind või mitu pinda, mis vastavad elemendile või elementide rühmale).

Kokkuvõte näitab ka erinevaid statistilisi näitajaid simuleeritud tolerantsisüsteemide toimivuse kohta (joonis 7). Toodud on simuleeritud süsteemide toimivuskriteeriumide parim, halvim, keskmine ja standardhälve koos simuleeritud süsteemide erinevate protsentiilide täitmisega.

Joonis 7: Monte Carlo simuleeritud süsteemide statistilised mõõdud

Kui nõutavad jõudlusmõõdikud on teada, saab neid mõõdikuid kasutada selleks, et hinnata, milline protsent kokkupandud süsteemidest tõenäoliselt vastab nõutavale jõudlusele. Näiteks kui asfäär pildistab kaamera andurile, võib disainer nõuda, et RMS-punkti suurus ei oleks suurem kui piksli suuruse kordne. Disainer saab seejärel vaadata näidatud statistika põhjal protsentuaalset tootlust, mis eeldatavasti vastab sellele jõudlusele. Kui leitakse, et saagis on vastuvõetamatu, võib disainer püüda karmistada mõningaid tootmise tolerantse, eriti neid, mis on kõige mõjuvamad. Teisest küljest, kui leitakse, et tolerantsid on vajalikust rangemad, võib projekteerija mõningaid tolerantse lõdvendada, kui see vähendab tootmiskulusid või tsükliaega.

Pange tähele, et kuna fookuse kompenseerimine oli lubatud, peaks selle süsteemi tootmine hõlmama etappi, kus fookus on "sissevalitud" ja/või lõppsüsteemis oleks vaja simuleeritud jõudluse saavutamiseks reguleerijat. Kompensaatori statistikat vaadates võib eeldada, et fookustasandi asukoht võib varieeruda kuni ~±0.140 mm ehk umbes 0.6% kaugusest objektiivi tagapinnast fookustasandini (nominaalselt 25 mm).

Intuitiivsem vaade

Üldiselt tuleks kasutada täpselt määratletud kvantitatiivset toimivuskriteeriumi tagamaks, et tolerantsiga toodetud süsteem vastab selle rakendamiseks nõutavale jõudlusele. Seda silmas pidades saame ka intuitiivsema pildi tolerantsivigade mõjudest, käivitades Monte Carlo simulatsiooni käigus salvestatud süsteemides analüüse.

Näiteks kaaluge kavandatud asfääri kasutamist 1 mm laiuse objekti pildistamiseks. Kasutades OpticStudio geomeetrilise kujutise analüüsi funktsiooni, saame simuleerida saadud kujutist nii oma nominaalsüsteemis kui ka mõnes Monte Carlo simulatsiooni käigus salvestatud süsteemis, näiteks halvima jõudlusega süsteemis. Siin simuleerime 1 mm kõrguse monokromaatilise tähe "F" pildistamist. Pange tähele, et kujutis on objektiga võrreldes vähendatud, kuna pildi kaugus on väiksem kui objekti kaugus. Kuvatakse nimiväärtuse ja kõige halvema jõudlusega süsteemide tulemus.

Joonis 8: Simuleeritud kujutis 1 mm kõrgusest monokromaatilisest "F"-st nominaalsüsteemis (vasakul) ja halvima jõudlusega süsteemis Monte Carlo simulatsioonist (paremal)

Näeme, et kõige kehvema toimivusega süsteemi pilt on nominaalsüsteemiga võrreldes oluliselt hägune, kuid mitte piisavalt, et täht oleks loetamatu. Kui läätsesüsteemi (mõnevõrra ebareaalne) rakendus on lihtsalt 1 mm kõrguse suure kontrastsusega monokromaatilise teksti loetav kujutis detektorile ja kvantitatiivsed detailid pole olulised, võime järeldada, et määratud tolerantsipiirid on tõenäoliselt piisavad.

kokkuvõte

Selles ajaveebis oleme andnud põhiülevaate tolerantsi tööriistast Zemax OpticStudio järjestikuses režiimis. See tööriist simuleerib mõju kavandatud optilise süsteemi jõudlusele, kui selle joondus- ja/või tootmisparameetreid muudetakse kindlaksmääratud tolerantsi piirides. Seejärel saab hinnata süsteemi tundlikkust konkreetsete parameetrite suhtes ning mõõta statistiliselt paljude kokkupandud süsteemide eeldatavat jõudlust.

Pildid: StarFish Medical

Ryan Field on Optikainsener StarFish Medicalis. Ryanil on PhD füüsikas Toronto Ülikoolist. Doktorantuurijärgse stipendiaadina töötas ta suure võimsusega pikosekundiliste infrapunalasersüsteemide väljatöötamisega kirurgiliste rakenduste jaoks ning kodustest materjalidest pärit spektromeetri väljatöötamisega.



---

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoAiStream. Web3 andmete luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Tuleviku rahapaja Adryenn Ashley. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://starfishmedical.com/blog/tolerancing-simulation-for-medical-device-optical-systems/