Ansys博客
January 9, 2024
通过仿真探索杂散光
Ansys Optics软件可帮助工程师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，无论是在日间的室内或户外受到阳光、阴暗和阴影的影响，还是在夜间受路灯、指示牌和过往车辆大灯灯光的干扰的情况下。
利用Ansys Optics仿真及设计软件的强大预测功能优化智能手机摄像头系统后，其可实现最佳性能，而不受使用环境的影响。Ansys Speos和Ansys 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。杂散光是摄像头传感器上多余的散射光或反射光，其会降低摄像头系统的光学性能和影像质量，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在镜头之间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。
- 眩光是在光线在摄像头系统内散射时出现的现象。散射可能来自系统中的光学元件或光机元件，并且可能由许多因素导致，包括光学表面缺陷或系统设计缺陷。
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可能降低性能的潜在杂散光。诀窍是，通过分析和控制来最小化给定设备光学传感器上的杂散光。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，一般是通过优化镜头设计或更改不同光学特性的材料（例如高吸收或抗反射膜层）
Ansys Optics在统一工作流程中提供不同视角
Ansys Optics软件可通过对手机等光学产品进行数字建模来实现光的行为和传播仿真，从而实现更准确、稳健的摄像头设计。多种Ansys产品的功能使工程师能够识别、了解、分析和控制摄像头系统中杂散光的传播。使用OpticStudio，用户可通过运行高精度分析设计来优化光学系统，进而考虑镀膜对性能和鬼影杂散光的影响。它可用于最大限度地减少平滑光学表面的菲涅耳反射的影响，优化鬼影焦点的位置，确定应用抗反射膜层的最佳表面，等等。
使用新的光学设计交换（.odx）格式，眩光杂散光分析可无缝转换到Speos，从而促进两种工具之间的流畅数据传输。通过OpticStudio中的“Export Optical Design to Speos（导出光学设计到Speos）”工具，设计人员可以生成光学设计文件，以便直接导入到Speos中。此文件包含关于镜头设计、光谱材料和膜层属性、光阑面和传感器的重要信息，以确保在Speos 3D环境中进行准确的表示。
Ansys Zemax OpticStudio和Speos光学设计交换
Speos跨CAD平台直接设计建模器，允许工程师导入和考虑光机元件，以及优化的镜头堆叠。它提供了CAD清理、快速设计修改和材料优化的功能。其基于物理的光线追迹算法和先进杂散光分析功能，包括支持Light Expert（LXP）、序列模式检测、光线路径过滤、多传感器分析、3D辐照度探测器和自动化功能，能够为高精度光学系统的设计和杂散光分析提供端到端工作流程。
使用Ansys Optics工具分析摄像头系统中的杂散光包括多个步骤。在本例中，我们演示了一个在日间使用智能手机摄像头时对阳光产生的杂散光进行分析的整体过程。在这种情况下，我们需要完成以下五个步骤：
杂散光分析工作流程
1.光学设计和优化：该步骤涉及使用调制传递函数（MTF）和点扩散函数（PSF）等指标，对基于主要光线路径性能的镜头系统进行设计、优化和公差分析。
2.鬼像优化和分析：该步骤重在最大限度地减少菲涅尔反射的影响，并确定应用抗反射膜层的关键镜头面。
3.系统级杂散光分析和可视化：该步骤涉及使用“光学设计交换”（.odx）将光学系统从Zemax传输到Speos，并在系统级分析杂散光，包括镜筒、安装几何结构和外壳等光机元件。接下来，识别视场角（FOV）内部和外部的所有潜在关键光源位置，并评估整个系统的漏光情况。
4.分析杂散光路径：应用序列模式过滤来识别导致杂散光的最关键物体，特别关注来自光机元件的散射。
图示：射向传感器的前20条能量最高的杂散光路径。
5.最大限度地减少杂散光：通过对上述步骤中确定为关键表面的面进行设计和材料修改，最大限度地减少系统内的杂散光。
阅读完整文章，获取更全面的分步指南，了解有关使用Ansys Optics软件分析智能手机摄像头系统杂散光的全面工作流程。