ANSYS 部落格
January 9, 2024
透過模擬探索雜散光的各個面向
Ansys Optics 軟體可協助工程師減少或消除智慧型手機相機應用程式中的雜散光。
似乎無論您走到哪裡，都有人在用手機拍攝難忘的合影或完美的自拍照。由於傳統相機與手機相機之間的界線愈來愈模糊，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，行動攝影技術已有長足的發展，以致於我們以往渡假時使用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類數位單眼相機 (DSLR) 的效能，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。白天無論在室內或戶外，無論是在陽光、樹蔭或陰影下，或者在夜間受到街燈、標誌和路過車輛的車燈發出的光線干擾，消費者都期望享有穩定的效能。
利用 Ansys Optics 模擬與設計軟體的預測能力，可以將智慧型手機相機系統最佳化，以達到最佳效能，而無需考慮其設計執行環境。Ansys Speos 與 Ansys 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應器捕捉到的雜散光。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，雜散光是相機感應器不需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和影像品質。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應器上之前，在鏡片之間發生兩次或更多次不必要的鏡面反射，從而在影像中形成亮點。
- 當光線在相機系統內出現散射時，就會產生眩光。散射可能來自系統中的光學或光學機械元件，且可能由許多因素造成，包括光學表面有瑕疵或系統設計缺陷。
對手持裝置製造商來說，這是一個大問題，因為他們的任務是在設計階段及早找出並排除出現雜散光而導致效能不佳的可能性。訣竅在於透過分析和控制，盡量減少雜散光對特定裝置光學感應器的影響。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 (例如高吸光度塗層或抗反射塗層) 的新材料。
Ansys Optics 在單一工作流程中提供不同視角
Ansys Optics 軟體可透過對手機等光學產品的數位建模，模擬光線的行為和傳播，進而提供更精確、更穩定的相機設計。多種 Ansys 產品的功能，讓工程師得以識別、瞭解、分析並控制雜散光在相機系統中的傳播。運用 OpticStudio，您可以執行高精確度的分析與設計，讓光學系統達到最佳化，並解釋薄膜塗層對效能和鬼影雜散光的影響。其可用來將平滑光學表面的菲涅耳反射 (Fresnel reflections) 影響降至最低，最佳化鬼影焦點的位置，並確定施用抗反射塗層的最佳表面等等。
使用新的 Optical Design Exchange (.odx) 格式，眩光雜散光分析可無縫轉換至 Speos，促進兩種工具之間的資料傳輸順暢。透過使用 OpticStudio 中的「Export Optical Design to Speos」(匯出光學設計至 Speos) 工具，設計師可以產生光學設計檔案，以便直接匯入 Speos。此檔案包含鏡片設計、光譜材料和塗層屬性、光欄面和感應器的基本資訊，以確保在 Speos 3D 環境中準確呈現。
Ansys Zemax OpticStudio 和 Speos Optical Design Exchange
Speos 的不分 CAD 直接建模工具，讓工程師除了鏡頭堆疊最佳化以外，也能匯入並考量光學機械元件。它提供 CAD 清理、快速設計修改和材料最佳化等功能。其基於物理的光線追蹤演算法和先進雜散光分析等功能 (包括支援 Light Expert (LXP)、序列偵測、光線路徑濾波、多感應器分析、3D 輻照度、自動化)，可實現高精確度光學系統之設計和雜散光分析的端對端工作流程。
要使用 Ansys Optics 工具進行相機系統雜散光分析，有幾個步驟。在此範例中，我們會示範全部程序，以探討白天使用智慧型手機相機時，因為陽光而產生的雜散光。在這種情況下，我們需要完成以下五個步驟：
雜散光分析工作流程
1.光學設計和最佳化：這牽涉到使用調變傳送函數 (MTF) 和點擴散函數 (PSF) 等指標，根據主要路徑效能來進行設計、最佳化鏡頭系統並調整其公差。
2.鬼影影像最佳化和分析：專注於將菲涅耳反射的影響降至最低，並確定要施用抗反射塗層的關鍵鏡片面。
3.系統層級的雜散光分析和視覺化：此步驟包括以「Optical Design Exchange」(.odx) 將光學系統從 Zemax 傳輸至 Speos，接著在系統層級分析雜散光，並整合光學機械元件，例如鏡筒、安裝幾何和外殼。接下來，找出預定視野 (FOV) 內外的所有潛在關鍵來源位置，並評估整個系統的漏光狀況。
4.分析雜散光路徑：套用序列濾波，找出導致雜散光的最關鍵物體，並特別著重於來自光學機械元件的散射。
按射入感應器的能量排序的第 20 道最強雜散光的路徑圖。
5.將雜散光降至最低：針對前述步驟中找到的關鍵表面修改設計和材料，將系統內部發生的雜散光降至最低。
歡迎閱讀完整文章，取得該工作流程更完整的逐步指南，瞭解如何使用 Ansys Optics 軟體分析智慧型手機相機系統的雜散光。