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ANSYS 部落格

January 9, 2024

透過模擬探索雜散光的各個面向

Ansys 光學軟體可協助減少或消除智慧型手機相機中的雜散光。

似乎無論你走到哪裡,都會有人用手機拍下一張難忘的合影或完美的自拍照。由於傳統與手機相機之間的界線越來越模糊,因此這些手持裝置的製造商不得不尋找軟體與硬體的最佳組合,以達到過去難以想像的影像品質。

當然,行動攝影技術已發展一段時間,以致於我們渡假時使用的的傻瓜相機幾乎已成過去式。現今的頂級智慧型手機可提供近數位單眼相機 (DSLR) 的功能,獲得更清晰的影像品質。

智慧型手機相機系統基本上是由相機元件、技術和系統的集合。許多都配有不同焦距和特性的鏡片。常見類型包括廣角、超廣角,長焦鏡頭和微距鏡頭。每個鏡頭都有特定用途,讓使用者可以拍攝各種不同的畫面。

這些手持式相機的挑戰是,必須有很高的效能,且能適應不同照明條件。無論在室內或戶外,無論是在陽光、樹蔭或陰影下,或者在夜間受到街燈、標誌和路過車輛的前照燈發出的光線干擾,消費者都期望相機系統有穩定的表現。

利用 Ansys Optical 模擬與設計軟體的預測能力,可以對這些應用程式進行最佳化以達到最佳效能,而無需考慮其設計執行環境。Ansys SpeosAnsys Zemax OpticStudio 包含可執行雜散光分析的強大功能,以幫助減少或消除光學系統感測器捕捉到的雜散光。這兩款產品被設計成能夠高效且輕鬆地互相配合,以達到這一目的。

雜散光會降低影像品質

光學系統設計最重要的考量之一就是雜散光。根據定義,雜散光是相機感測器不想要的散射或反射光線,是光學設計的非預期現象,會降低相機系統的光學效能。這也是智慧型手機拍攝的影像對比度降低、模糊和變色的常見原因。

有兩種雜散光:鬼影和眩光,後者也稱為面紗眩光。

  • 所謂鬼影,是指來自相機視野邊緣的光線在落到感測器上之前,會發生兩次或多次不必要的鏡面反射,從而在影像中形成亮點。
  • 當光線在相機光學系統內散射時,就會產生眩光。雜射可由許多因素所造成,包括光學表面瑕疵,或是有缺陷的系統設計的功能。

對手持裝置製造商來說,這是一個很大的問題,因為他們的任務是在設計階段及早找出並消除雜散光的可能性。訣竅在於透過分析和控制,消除雜散光對特定裝置光學系統的影響。但由於相機幾乎可在任何環境中使用,因此設計必須考慮到在許多不同照明條件下的雜散光。

若要解決此問題,設法找出可能位於相機視野內或外側的外來光源位置就至關重要。下一步是設計去除雜散光線影響的方法,通常是重新配置相機的鏡片,或換成具有不同光學屬性的新材料。

Ansys Speos 在單一工作流程中提供不同的視角

Ansys Optical 模擬與設計軟體可透過對手機等光學產品的數位建模來模擬光線行為和傳播,進而提供更精確、更穩定的相機設計。透過多個 Ansys 產品的融合,我們可以看到雜散光在全新相機系統內的傳播情況。

運用 OpticStudio,您可以執行高精確度的分析與設計,以最佳化光學系統,並使用光機械幾何考量薄膜塗層的影響 (此功能僅在 Speos 中提供)。利用 Zemax Import 工具,Speos 可以自動從 OpticStudio 提取資料,對資料套用相關參數,並透過額外的模擬式分析,進一步針對雜散光影響進行設計調整。

使用 Ansys 工具分析相機系統中的雜散光有四個步驟,即:

1.使用 Zemax OpticStudio 內的 Zemax Import 工具,將 Zemax OpticStudio 鏡頭設計匯入到 Speos。此步驟包括利用搭配 OpticStudio 設計的手機相機適用的精巧高效鏡頭系統。您可以使用 OpticStudio API 讀取 OpticStudio 鏡頭資料參數,並根據其數學表示法,自動將每個鏡頭重新建立為原生電腦輔助設計 (CAD) 幾何。OpticStudio 的資料也可以匯入 Speos 投影鏡頭功能,讓您存取所有鏡頭參數。

然後,此工具可將 OpticStudio 材料匯入至 Speos 材料格式,並在鏡頭上套用光學屬性,然後將成像器轉換為輻照度感測器。所有幾何和輻照度感測器的參考原點對應於影像平面的位置。在最後一個步驟 (如下圖所示),鏡頭系統會新增至已在 Speos 中預先定義的光機械零件 (灰色) 和鏡頭邊緣 (黃色)。

Lens system optomechanical

鏡頭系統新增至皆已在 Speos 中預先定義的光機械零件 (灰色) 和鏡頭邊緣 (黃色)。

2.偵測整個系統的所有可能關鍵太陽位置和漏光。在此步驟中,所有可能關鍵的太陽位置都會使用反向光線追蹤模擬方法,在一個模擬中研究。這是一種可透過相機系統將射線從成像器傳送到空中的強大方法。採用此方法,可以在機械系統中偵測到光洩漏,Speos 光線追蹤演算法會將所有幾何的所有材料行為都納入考量。然後,這些區域可以按重要性和光線路徑在相機視野(FOV)內外進行分類。

相機 FOV 內的光源可在鏡頭表面發生多種次級反射,從而在成像器上產生鬼影和鏡頭眩光。由於 FOV 外的光源可能會在機械及光學零件上造成雜散光,Speos Light Expert (LXP) 功能也可以用於可視化並導出這些光線路徑,以便針對強度結果中的特定區域進行分析。此功能可用於識別及研究會影響設計的雜散光線條件,包括相機 FOV 內的光源和 FOV 外系統機械外殼中的潛在漏光。

3.在相機 FOV 內從四個太陽位置模擬雜散光線 (選用)。在此步驟中,使用 Speos 針對相機 FOV 內四個不同的太陽位置 (從 0°到 15°) 執行完整的系統雜散光模擬。

Full system stray light

對相機視野 (FOV) 內四個不同太陽位置進行完整系統的雜散光模擬。

4.分析雜散光線路徑順序,並減少一個太陽位置的鬼影雜散光。此步驟包括利用 LXP 和序列偵測功能,識別最關鍵的射線路徑順序 (就照射到感應器上的輻照度而言),以及導致成像器上 5°太陽位置雜散光的物體相互作用。

閱讀「Stray Light Analysis – Smartphone Camera」(雜散光線分析 – 智慧型手機相機) 研究報告,取得更完整的逐步指南,瞭解如何使用 Ansys Speos 功能分析智慧型手機相機系統的雜散光線。 

Discover ray path

按射入感測器的能量排序的第 20 條最強雜散光線路徑圖。此順序是根據射入感測器的能量來排序。

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