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Ansysブログ

January 9, 2024

シミュレーションによる迷光のファセットの探索

Ansysの光学ソフトウェアは、スマートフォンのカメラアプリケーションで迷光を軽減または排除するのに役立ちます。

どこを見ても、思い出に残るグループ写真や完璧な自撮り写真を携帯電話で撮影している人がいます。従来のカメラと携帯電話のカメラの境界線が曖昧になる中で、これらのハンドヘルドデバイスのメーカーは、以前は考えられなかった画質を実現するために、ソフトウェアとハードウェアの最適な組み合わせを見つけることを迫られています。

もちろん、モバイル撮影は長い道のりを歩んできました。そのため、休暇でよく使用していた全自動カメラは、ほぼ過去のものになりました。今日の最高評価のスマートフォンは、デジタル一眼レフレンズ(DSLR)カメラに近い性能を備え、よりシャープな画質を実現します。

スマートフォンのカメラシステムは、基本的にカメラコンポーネント、テクノロジー、システムの集合体です。その多くは、異なる焦点距離と特性を持つ複数のレンズで構成されます。広角レンズ、超広角レンズ、望遠レンズ、マクロレンズなどが一般的です。各レンズは特定の目的に対応しており、ユーザーはさまざまなショットを撮影できます。

これらのハンドヘルドカメラアプリケーションの課題は、高性能であることが必要で、さまざまな照明条件に左右される点です。屋内または屋外を問わず(日光、日陰、影の影響を受ける)、夜間であれば街灯、標識、あるいは通り過ぎる車などのヘッドライトから発せられる光の影響を受けている場合でも、消費者は一貫した性能を期待しています。

Ansysの光学シミュレーションおよび設計ソフトウェアの予測能力を活用することで、これらのアプリケーションは、想定されている使用環境に関係なく、ピーク性能を発揮するように最適化できます。Ansys SpeosおよびAnsys Zemax OpticStudioは、光学系のセンサーが検出した迷光を低減または排除するための迷光解析を実行する強力な機能を備えています。2つの製品は、この目的のために効率的かつ容易に相互運用できるように設計されています。

迷光が多くなるほど画質が低下

光学系の設計における最大の考慮事項の1つが迷光です。定義上、迷光とはカメラセンサーにおける望ましくない散乱光または反射光であり、光学設計では意図せず、カメラシステムの光学性能を低下させます。また、スマートフォンのカメラで撮影した画像のコントラストが低下したり、ぼやけたり、変色したりする一般的な原因でもあります。

迷光には、ゴーストとグレア(光幕とも呼ばれる)の2種類があります。

  • ゴーストとは、カメラの視野の端に近い光源からの光がセンサーに当たる前に2つ以上の不要な反射が生じた場合に、画像内で明るいスポットとして現れる反射です。
  • グレアは、カメラの光学系内で光が散乱するときに生じます。散乱は、光学面の欠陥または欠陥のあるシステム設計に応じてなど、多くの要因によって引き起こされる可能性があります。

設計の早い段階で迷光が生じる可能性を特定して排除することを任務とするハンドヘルドデバイスのメーカーにとって、これは大きな問題です。そのコツは、解析と制御によって、特定デバイスの光学系の迷光のインピーダンスを排除することです。しかし、カメラは事実上どのような環境でも使用できるため、その設計ではさまざまな照明条件での迷光を考慮する必要があります。

この問題を解決するには、カメラの視野の内側または外側に存在する、無関係であるが重要な光源の位置を特定する方法を模索することが重要です。次のステップは、カメラのレンズを再構成したり、異なる光学特性を持つ新しい材料に変更したりすることで、迷光の影響を修正する方法を設計することです。

Ansys Speosは単一のワークフローで異なる視点を提供

Ansysの光学シミュレーションおよび設計ソフトウェアは、携帯電話などの光学対応製品のデジタルモデリングを通じて光の振る舞いと伝播をシミュレーションできます。これにより、より正確でロバストなカメラ設計が可能になります。複数のAnsys製品を組み合わせることで、まったく新しいカメラシステムで迷光の伝播を見ることができます。

OpticStudioでは、高精度の解析と設計を実行して光学系を最適化でき、薄膜コーティングの影響を考慮できます(Speosでのみ追加されたオプトメカニカルジオメトリを使用する)。Zemaxインポートツールを使用すると、SpeosではOpticStudioからデータを自動的に取得し、関連するパラメータをデータに適用して、追加のシミュレーションベースの解析を介して、迷光の影響に対して設計をさらに微調整することができます。

Ansysのツールを使用したカメラシステムの迷光の解析には、次の4つのステップがあります。

1.Zemax OpticStudio内のZemaxインポートツールを使用して、Zemax OpticStudioのレンズ設計をSpeosにインポートします。このステップでは、OpticStudioで設計された携帯電話カメラ用のコンパクトで効率性に優れたレンズシステムを使用します。OpticStudio APIを使用すれば、OpticStudioのレンズデータパラメータを読み取り、数学的表現に基づいて各レンズをネイティブなCADジオメトリとして自動的に再作成できます。OpticStudioからのデータをSpeosの投影レンズ機能にインポートすることもでき、すべてのレンズパラメータを扱えるようになります。

このツールでは、さらにOpticStudioの材料をSpeosの材料フォーマットとしてインポートし、レンズに光学特性を適用して、イメージャを放射照度センサーに変換することもできます。すべてのジオメトリおよび放射照度センサーの基準原点は、画像平面の位置に対応します。最後のステップ(下図)では、Speosで事前定義されているオプトメカニカル部品(灰色)とレンズエッジ(黄色)にレンズシステムを追加します。

Lens system optomechanical

レンズシステムは、Speosで事前定義されているオプトメカニック部品(灰色)とレンズエッジ(黄色)に追加される。

2.システム全体で、考えられるすべての重要な太陽位置と光漏れを検出します。このステップでは、逆レイトレーシングシミュレーションアプローチを使用して、単一のシミュレーションで考えられるすべての重要な太陽位置を調べます。これはイメージャからの光線をカメラシステムを介して空に送る強力な方法です。このアプローチを使用すると、機械システムでも光漏れを検出でき、Speosのレイトレーシングアルゴリズムによってすべてのジオメトリのすべての材料挙動が考慮されます。これらの領域は、カメラの視野(FOV)の内側と外側の光線経路と重要度によって分類できます。

カメラのFOV内の光源は、レンズ表面で複数の二次反射を行う可能性があり、これがゴースト反射やイメージャのレンズフレアにつながります。FOVの外側の光源は、機械部品や光学部品上での迷光散乱を引き起こす可能性があるため、Speos Light Expert(LXP)機能を使用して、強度結果の特定の領域におけるこれらの光線経路を可視化およびエクスポートすることもできます。この機能を使用すると、カメラのFOV内の光源や、FOVを超えてシステムの機械的ハウジング内の潜在的な光漏れなど、設計に影響を与える迷光の状態を特定して調査できます。

3.カメラFOV内の4つの太陽位置からの迷光をシミュレーションします(オプション)。このステップでは、Speosを使用して、カメラのFOV内の4つの異なる太陽位置(0~15度)に対してフルシステムの迷光シミュレーションを実行します。

Full system stray light

カメラのFOV内の4つの異なる太陽位置に対するフルシステムの迷光シミュレーション。

4.迷光経路シーケンスを解析して、1つの太陽位置に対するゴースト迷光を軽減します。このステップでは、LXPおよびシーケンス検出機能を使用して、最も重要な光線経路シーケンス(センサーへの照射の観点から)と、5度の太陽位置に対するイメージャの迷光を引き起こすオブジェクトの相互作用を特定します。

Ansys Speosの機能を使用してスマートフォンカメラシステムの迷光を解析するワークフローのより包括的なステップバイステップガイドについては、「迷光解析 - スマートフォンカメラ」スタディを参照してください。 

Discover ray path

センサーに当たるエネルギーによって分類された、20番目に多くのエネルギーを持つ迷光経路の図。シーケンスは、センサーに当たるエネルギーに基づいて順序が設定される。

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