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Ansys博客

January 9, 2024

通过仿真探索杂散光

Ansys光学软件可帮助减少或消除智能手机摄像头的杂散光。

放眼四周,总会发现人们在用手机记录美好瞬间,无论是合影还是自拍,都随处可见。随着传统相机和手机相机之间的界限越来越模糊,这些手持设备制造商迫切需要寻找软硬件的完美组合,才能实现以前无法想象的卓越影像质量。

当然,手机摄影已取得长足发展,我们过去度假时使用的“傻瓜相机”几乎已销声匿迹。当前顶级智能手机可提供接近数码单反(DSLR)相机的性能,带来更清晰的影像质量。

智能手机相机系统实质上是由一系列摄影组件、技术和系统组合而成,大多都有多个具有不同焦距和特征的镜头。常见类型包括广角、超广角、长焦和微距镜头等。每个镜头都有特定的用途,使用户可捕捉各种画面。

这些手持相机应用面临的挑战是,其必须具有高性能,并且能够适应多种光照条件。消费者都希望相机可以保持稳定的性能,无论是在室内还是户外,无论受到阳光、阴暗和阴影的影响,还是在夜间受路灯、标牌和过往车辆大灯灯光的干扰的情况下。

利用Ansys光学仿真及设计软件将这些相机应用优化后,其可实现最佳性能,而不受或减弱使用环境的影响。Ansys SpeosAnsys Zemax OpticStudio包括执行杂散光分析的强大功能,有助于减少或消除光学系统传感器捕获的杂散光。‌这两款产品旨在以高效便捷的方式进行互操作,以实现上述目标。

杂散光会导致影像质量受损

杂散光是光学系统设计最需要考虑的因素之一。根据定义,杂散光是摄像头传感器上多余的散射光或反射光,其会降低相机系统的光学性能,所以是人们不希望在光学设计中见到的。此外,这也是使用智能手机拍摄的影像对比度降低、模糊和变色的常见原因。

杂散光有两种类型:‍鬼影和眩光,眩光也被称为散射光。

  • 鬼影是一种反射现象,指当来自于视场内或视场外的光源的光,在落在传感器上之前经历了两次及以上不必要的镜面反射。其会导致拍摄图像中出现亮点亮线等。
  • 眩光在光线在相机光学系统内散射时出现。引起散射的因素很多,其中包括光学表面缺陷或光机系统中机械件设计等。

对于手持设备制造商而言,这是一大问题,而其任务就是在设计阶段早期识别并消除或优化潜在的杂散光。诀窍是通过分析和控制来消除或优化给定设备光学系统上的杂散光。但由于相机几乎可能在任何环境中使用,因此其设计必须考虑大量不同光照条件下的杂散光。

要解决这个问题,必须找到识别外来光源位置的途径,该位置可能在相机视场内部或外部。下一步是设计修复杂散光影响的方法,一般是优化镜头设计、镀膜或优化机械件设计等。

Ansys Speos在统一工作流程中提供不同视角

Ansys光学仿真及设计软件可通过对手机等光学产品进行数字建模来仿真光的行为和传播,从而实现更准确、稳健的相机设计。通过结合使用多种Ansys产品,您可查看杂散光在全新相机系统中的传播。

使用OpticStudio,您可通过运行高精度分析设计来优化光学系统,进而考虑镀膜(光机几何结构的杂散光影响之后放在Speos里考虑)的影响。借助友好的交互工具,Speos可从OpticStudio中自动提取数据,将相关参数应用于该数据,并通过其它基于仿真的分析针对杂散光影响进一步优化设计。

使用Ansys工具分析相机系统中的杂散光有四个步骤,即:

1.使用Zemax OpticStudio 2024R1中的“导出光学设计到Speos”功能将Zemax OpticStudio镜头设计导入Speos当然,该步骤中首先需要使用OpticStudio设计优化得到紧凑而高效的手机摄像头镜头系统。将从OpticStudio导出的.odx文件导入到Speos里,Speos可以读取OpticStudio镜头参数并根据其面型数学表达式自动将镜头系统重新创建。此外,OpticStudio的数据还可导入Speos投影镜头特性,以便您访问所有镜头参数。

该工具还可同步将OpticStudio材料转成Speos材料格式,并在镜头上应用光学属性,然后将像面转换为辐照度传感器。所有几何结构及辐照度传感器的参考原点与像面的位置相对应。在最后一步(下图)中,给镜头系统添加光机部件(灰色)和镜片边缘(黄色),其已在Speos中被预定义。

Lens system optomechanical

给镜头系统添加光机部件(灰色)和镜片边缘(黄色),其已在Speos中被预定义。

2.检测整个系统所有潜在的临界太阳位置和杂散光情况该步骤中,使用逆向光线追迹仿真方法,在单次仿真过程中研究所有潜在临界太阳位置。这种方法非常强大,可通过相机系统将光线从像面发送到空中。通过该方法,还可在机械系统中检测杂散光,并且Speos光线追迹算法会考虑全部几何结构的所有材料行为。然后,可按照临界状态以及相机视场角(FOV)内外的光线路径对这些区域进行分类。

摄像头视场内的光源会在镜头表面经历多个二次反射,导致传感器上出现鬼影。视场外的光源可能会在机械部件和光学部件上导致杂散光散射,因此Speos Light Expert(LXP)特性功能也可针对特定区域,对这些涉及强度结果的光线路径进行可视化并将其导出。该功能可用于识别并研究会影响设计的杂散光条件,其中包括相机视场角内的光源以及视场角外、系统机械外壳中潜在的漏光等。

3.对相机视场角(FOV)内四个太阳位置的杂散光进行‌仿真(可选)该步骤使用Speos针对相机视场角内四个不同的太阳位置(0°至15°)执行全系统杂散光仿真。

Full system stray light

针对相机视场角(FOV)内四个不同的太阳位置执行全系统杂散光仿真

4.分析杂散光路径序列,减弱太阳光引起的杂散光该步骤包括利用LXP和序列检测特性识别最强杂散光路径序列(根据照射到传感器上的辐照度)和5°位置太阳光引起传感器杂散光的镜头部件相互作用)。

阅读“杂散光分析——智能手机摄像头”研究,获取更全面的分步指南,了解有关使用Ansys Speos功能分析智能手机摄像头系统杂散光的全面工作流程。 

Discover ray path

图示:射向传感器的前20条能量最高的杂散光路径。按射向传感器的能量排序。

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