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ANSYS BLOG

January 9, 2024

Erkundung der Facetten von Streulicht durch Simulation

Die Optik-Software von Ansys kann dazu beitragen, Streulicht in Smartphone-Kameraanwendungen zu reduzieren oder zu beseitigen.

Überall, wo man hinsieht, macht gerade jemand ein tolles Gruppenfoto oder perfektes Selfie mit seinem Handy. Da die Grenze zwischen herkömmlichen Kameras und Mobiltelefonkameras immer unschärfer wird, sind Hersteller dieser Handheld-Geräte gezwungen, die beste Kombination aus Software und Hardware zu finden, mit der eine bisher undenkbare Bildqualität möglich wird.

Natürlich hat sich die Smartphone-Fotografie enorm weiterentwickelt – so weit, dass die Fotokameras, mit denen wir im Urlaub unterwegs waren, fast schon vergessen sind. Die besten Smartphones von heute bieten nahezu die gleiche Qualität wie eine digitale DSLR-Kamera, was zu schärferen Bildern führt.

Smartphone-Kamerasysteme sind im Wesentlichen eine Sammlung von Kamerakomponenten, -technologien und -systemen. Viele haben mehrere Objektive mit unterschiedlichen Brennweiten und Merkmalen. Zu den gängigen Typen gehören Weitwinkel-, Ultraweitwinkel-, Tele- und Makroobjektive. Jedes Objektiv dient einem bestimmten Zweck, sodass Benutzern eine hohe Bandbreite möglicher Aufnahmen zur Verfügung steht.

Die Herausforderung bei diesen Kameraanwendungen besteht darin, dass sie eine hohe Leistung aufweisen und in unterschiedlichsten Lichtverhältnissen arbeiten können müssen. Ob drinnen oder draußen – je nach Sonnenlicht und Schatten, nachts mit Interferenzen durch Straßenbeleuchtung, Beschilderung und Licht, das von den Scheinwerfern des vorbeifahrenden Verkehrs ausgeht – die Verbraucher erwarten eine gleichbleibende Leistung.

Diese Anwendungen nutzen die Prognosefähigkeit der optischen Simulations- und Design-Software von Ansys und können für Spitzenleistungen optimiert werden, unabhängig von der Umgebung, in der sie ausgeführt werden sollen. Ansys Speos und Ansys Zemax OpticStudio enthalten leistungsstarke Funktionen zur Durchführung von Streulichtanalysen, um Streulicht, das vom Sensor eines optischen Systems erfasst wird, zu reduzieren oder zu eliminieren. Die beiden Produkte sind so konzipiert, dass sie zu diesem Zweck effizient und einfach zusammenarbeiten können.

Geringere Bildqualität bei Streulicht

Eine der wichtigsten Überlegungen beim Design optischer Systeme ist Streulicht. Streulicht ist definitionsgemäß unerwünschtes gestreutes oder gespiegeltes Licht am Kamerasensor, das im optischen Design nicht gewünscht ist und die optische Leistung des Kamerasystems beeinträchtigt. Dies ist auch häufig die Ursache für reduzierten Bildkontrast, Unschärfen und verfärbte Bilder, die mit Smartphone-Kameras aufgenommen wurden.

Es gibt zwei Arten von Streulicht: Geister und Blendeffekte, die auch als Schleier bezeichnet werden.

  • Geister sind Reflexionen, die als helle Flecken in einem Bild erscheinen, wenn Licht von einer Quelle in und nahe am Rand des Kamerasichtfelds zwei oder mehr unerwünschte Spiegelreflexe erfährt, bevor es auf den Sensor fällt.
  • Blendeffekte treten auf, wenn Licht in das optische System einer Kamera streut. Streuung kann durch viele Faktoren verursacht werden, darunter optische Oberflächenfehler oder infolge eines fehlerhaften Systemdesigns.

Dies ist ein großes Problem für Hersteller von Handheld-Geräten, die die Möglichkeit von Streulicht bereits in der Entwicklungsphase erkennen und beseitigen müssen. Der Trick besteht darin, durch Analyse und Kontrolle den Einfluss von Streulicht auf das optische System eines bestimmten Geräts zu eliminieren. Da die Kameras jedoch in praktisch jeder Umgebung eingesetzt werden können, muss ihr Design Streulicht bei vielen unterschiedlichen Lichtverhältnissen berücksichtigen.

Um dieses Problem zu lösen, ist es wichtig, nach Möglichkeiten zu suchen, wie kritische Positionen von Lichtquellen identifiziert werden können, die sich innerhalb oder außerhalb des Sichtfeldes der Kamera befinden können. Der nächste Schritt besteht in der Entwicklung von Methoden zur Verringerung der Auswirkungen von Streulicht, in der Regel durch Neukonfiguration der Objektive in der Kamera oder durch Einsatz neuer Materialien mit anderen optischen Eigenschaften.

Ansys Speos bietet in einem einzigen Arbeitsablauf eine andere Perspektive

Die optische Simulations- und Design-Software von Ansys kann Lichtverhalten und -ausbreitung durch die digitale Modellierung optisch fähiger Produkte wie Mobiltelefone simulieren, was zu präziseren, robusteren Kameradesigns führt. Durch die Konvergenz mehrerer Ansys-Produkte ist es möglich, die Ausbreitung von Streulicht in einem völlig neuen Kamerasystem zu sehen.

Mit OpticStudio können Sie hochpräzise Analysen durchführen und Designs testen, um optische Systeme zu optimieren, wobei die Auswirkungen von Dünnfilmbeschichtungen berücksichtigt werden (mit optomechanischen Geometrien, die nur in Speos hinzugefügt werden). Mit dem Import-Tool Zemax kann Speos Daten automatisch aus OpticStudio abrufen, relevante Parameter auf die Daten anwenden und das Design mithilfe zusätzlicher simulationsbasierter Analysen hinsichtlich der Streulichtauswirkungen weiter verfeinern.

Bei der Analyse von Streulicht in einem Kamerasystem mit Ansys-Tools gibt es vier Schritte:

1. Import des Zemax OpticStudio-Objektivdesigns mit dem Zemax-Import-Tool in Zemax OpticStudio in Speos. Bei diesem Schritt wird ein kompaktes und effizientes Objektivsystem für Mobiltelefonkameras verwendet, das mit OpticStudio entwickelt wurde. Mit der OpticStudio-API können Sie OpticStudio-Objektivdatenparameter lesen und jedes Objektiv automatisch als native CAD-Geometrie basierend auf seiner mathematischen Darstellung neu erstellen. Daten aus OpticStudio können auch in die Speos-Projektionsobjektivfunktion importiert werden, sodass Sie auf alle Objektivparameter zugreifen können.

Das Tool kann dann OpticStudio-Materialien in ein Speos-Materialformat importieren und optische Eigenschaften auf die Objektive anwenden. Anschließend wird der Imager in einen Bestrahlungssensor umgewandelt. Der Referenzursprung für alle Geometrien und Bestrahlungssensoren entspricht der Position der Bildebene. Im letzten Schritt (siehe Abbildung unten) wird das Objektivsystem zu den optomechanischen Teilen (grau) und Objektivkanten (gelb) hinzugefügt, die bereits in Speos vordefiniert sind.

Lens system optomechanical

Das Objektivsystem wird zu den optomechanischen Teilen (grau) und Objektivkanten (gelb) hinzugefügt, die beide bereits in Speos vordefiniert sind.

2. Erkennung aller möglichen kritischen Sonnenpositionen und Lichteinfall für das gesamte System. In diesem Schritt werden alle möglichen kritischen Sonnenpositionen in einer Simulation unter Verwendung eines Simulationsansatzes mit umgekehrter Strahlenverfolgung untersucht. Dabei handelt es sich um eine leistungsstarke Methode, die Strahlen vom Imager über das Kamerasystem an den Himmel sendet. Mit diesem Ansatz kann Lichteinfall auch im mechanischen System erkannt werden, und der Raytracing-Algorithmus von Speos berücksichtigt das gesamte wesentliche Verhalten aller Geometrien. Diese Bereiche können dann nach Kritikalität und Strahlenpfaden innerhalb und außerhalb des Sichtfeldes (FOV) der Kamera kategorisiert werden.

Lichtquellen im FOV der Kamera können mehrere Sekundärreflexionen an Objektivoberflächen durchlaufen, was zu Geisterreflexionen und Blendeffekten auf dem Imager führt. Da Lichtquellen außerhalb des FOV Streulichtverbreitung auf mechanischen und optischen Teilen verursachen können, können die Funktionen des Speos Light Expert (LXP) auch verwendet werden, um diese Strahlenpfade für einen bestimmten Bereich des Intensitätsergebnisses zu visualisieren und zu exportieren. Diese Funktion kann verwendet werden, um Streulichtbedingungen zu identifizieren und zu untersuchen, die Auswirkungen auf Ihr Design haben, einschließlich Lichtquellen im FOV der Kamera und potenzieller Lichteinfall im mechanischen Gehäuse Ihres Systems außerhalb des FOV.

3. Simulation von Streulicht aus vier Sonnenpositionen im FOV der Kamera (optional). In diesem Schritt wird eine vollständige System-Streulichtsimulation für vier verschiedene Sonnenpositionen (von 0° bis 15°) innerhalb des FOV der Kamera mit Speos ausgeführt.

Full system stray light

Eine Vollsystem-Streulichtsimulation für vier verschiedene Sonnenpositionen innerhalb des Kamerasichtfelds (FOV).

4. Analyse der Sequenzen des Streulichtpfads und Verringerung des Streulichts für eine Sonnenposition. Dieser Schritt umfasst die Ermittlung der kritischsten Strahlenpfadsequenzen (in Bezug auf die Bestrahlungsstärke, die auf den Sensor trifft) und Objektinteraktionen, die für die 5°-Sonnenposition zu Streulicht auf dem Imager führen, indem LXP und Sequenzerkennungsfunktionen verwendet werden.

Lesen Sie die Studie "Streulichtanalyse – Smartphone-Kamera", um eine ausführlichere Schritt-für-Schritt-Anleitung durch den Arbeitsablauf zur Analyse von Streulicht für ein Smartphone-Kamerasystem mit Ansys Speos-Funktionen zu erhalten. 

Discover ray path

Abbildung der 20 energetischsten Streulichtpfade, aufgereiht nach Energie, die auf den Sensor trifft. Die Sequenzen sind nach der Energie geordnet, die auf den Sensor trifft.

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