Ansys Speos | 進(jìn)行智能手機(jī)鏡頭雜散光分析

本例的目的是研究智能手機(jī)Camera系統(tǒng)的雜散光。雜散光是指光向相機(jī)傳感器不需要的散光光或鏡面光，是在光學(xué)設(shè)計(jì)中無意產(chǎn)生的，會(huì)降低相機(jī)系統(tǒng)的光學(xué)性能。

在本例中，光學(xué)透鏡系統(tǒng)使用Ansys Zemax OpticStudio (ZOS)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并使用新的“Zemax Importer”工具一鍵導(dǎo)入鏡頭系統(tǒng)到Speos中進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)雜散光分析。所使用的光學(xué)機(jī)械參數(shù)和透鏡邊緣可以在CAD平臺(tái)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后在Ansys Speos中進(jìn)行修改。這個(gè)例子主要涵蓋了整個(gè)工作流程中的Speos部分，介紹了雜散光分析的概念，并演示了Speos的功能：Zemax Importer工具, light expert (LXP)光線追跡和序列檢測雜散光。

操作流程概述

上圖是使用Ansys工具分析相機(jī)系統(tǒng)雜散光的典型工作流程。工作流程可分為四個(gè)部分:1. 使用“Zemax Importer”工具導(dǎo)入ZOS鏡頭設(shè)計(jì)到Speos。2. 檢測所有可能的關(guān)鍵太陽位置和整個(gè)系統(tǒng)的光泄漏。3.相機(jī)視場內(nèi)四個(gè)外環(huán)境太陽位置的雜散光模擬(可選)。4. 分析雜散光路徑序列，對(duì)外環(huán)境太陽位置的雜散光進(jìn)行抑制。

第一步：使用“Zemax Importer”工具導(dǎo)入OS鏡頭設(shè)計(jì)到Speos

使用“Zemax導(dǎo)入工具”導(dǎo)入ZOS鏡頭設(shè)計(jì)到Speos。在這里，使用ZOS設(shè)計(jì)的高效手機(jī)相機(jī)鏡頭系統(tǒng)，通過使用Zemax importer工具可以讀取ZOS透鏡數(shù)據(jù)參數(shù)，并根據(jù)它們的數(shù)學(xué)表示自動(dòng)重建每個(gè)透鏡，作為基于CAD的Speos透鏡特性幾何數(shù)據(jù)，并訪問所有透鏡參數(shù)。此外，該工具將ZOS材料轉(zhuǎn)換為Speos材料格式，并將光學(xué)特性應(yīng)用到透鏡上。該成像過程使用一個(gè)照度傳感器。所有幾何圖形的參考點(diǎn)、原點(diǎn)和照度傳感器對(duì)應(yīng)于圖像平面的位置。然后將鏡頭系統(tǒng)添加到光學(xué)機(jī)械部分(灰色)和鏡頭邊緣(黃色)。

1. 在Speos仿真界面，點(diǎn)擊Zemax import工具，然后選擇*.ZMX的Zemax鏡頭設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，工具會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換Zemax的鏡頭數(shù)據(jù)參數(shù)、材料和能量接收器信息，并將其轉(zhuǎn)換為Speos功能數(shù)據(jù)。

2. 為了清晰顯示鏡頭系統(tǒng)，可以以不同的顏色顯示不同的鏡頭數(shù)。

3. 定義環(huán)境太陽光源入光到鏡頭系統(tǒng)中，并在direct simulation選擇source、geometry、sensor運(yùn)算仿真，激活light expert為true，并在sensor中勾選LXP選項(xiàng)。

第二步：檢測所有可能的關(guān)鍵太陽位置和整個(gè)系統(tǒng)的光泄漏

使用光線逆向追蹤模擬方法在一個(gè)direct模擬中研究所有可能的臨界太陽位置。這是一種逆向追跡方法，從成像sensor發(fā)送光線通過相機(jī)系統(tǒng)到天空。通過這種方法，還可以檢測機(jī)械系統(tǒng)中的漏光。Speos光線跟蹤算法考慮了所有幾何形狀的所有材料行為。此外，將根據(jù)相機(jī)視場內(nèi)外的臨界和光線路徑對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行分類。相機(jī)視場內(nèi)的光源可以在鏡頭表面經(jīng)歷多次二次反光，導(dǎo)致鬼反光，鏡頭光暈在成像儀上。視場外的光源會(huì)對(duì)機(jī)械和光學(xué)零件造成雜散光散光。通過利用Speos LXP功能，可以在強(qiáng)度結(jié)果上可視化和導(dǎo)出這些特定區(qū)域的光線路徑。

 
對(duì)于本例，假設(shè)相機(jī)系統(tǒng)水平對(duì)稱。因此，將強(qiáng)度傳感器作為半球體放置在系統(tǒng)的頂部。使用LXP功能，可以選擇任意區(qū)域并顯示光線傳播路徑。

第三步：視場內(nèi)四個(gè)太陽位置的雜散光模擬

在這一步中，運(yùn)行了一個(gè)完整的系統(tǒng)雜散光模擬在相機(jī)視場內(nèi)的四個(gè)不同的太陽位置(從0°到15°)。模擬使用Speos GPU運(yùn)行，得到完整的相機(jī)系統(tǒng)在相機(jī)成像sensor上的雜散光結(jié)果為四個(gè)太陽位置分別的成像效果。

第四步：分析雜散光路徑序列，對(duì)一個(gè)太陽位置的雜散光進(jìn)行抑制

在第4步中，將通過利用Speos LXP和“序列檢測”功能，識(shí)別最關(guān)鍵的光線路徑序列(根據(jù)傳感器的照度)和導(dǎo)致5°太陽位置的成像儀上雜散光的物體相互作用。此外，將展示如何解決明亮的鬼像。

1. 顯示5°太陽位置成像結(jié)果，打開xmp，點(diǎn)擊measure，選擇雜光區(qū)域，并顯示其數(shù)據(jù)結(jié)果。

2. 在XMP結(jié)果中，點(diǎn)擊tools工具，sequence detection得到序列分層光線結(jié)果，得到序列層以發(fā)現(xiàn)從層1到層20的光線路徑序列，這些序列是根據(jù)能量到達(dá)傳感器的順序排列的。

3. 舉例分析，序列20的光線沿著從光源發(fā)出的直接順序路徑。穿過前四個(gè)透鏡，直到它們被鏡面反光到物體10的正面。單擊對(duì)象10以突出顯示3D視圖中的幾何圖形。

4. 同樣的工作流程可以應(yīng)用于結(jié)果中的其他區(qū)域，以識(shí)別導(dǎo)致雜散光的元素。

5. 一旦對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，就可以與設(shè)計(jì)和機(jī)械團(tuán)隊(duì)討論不同光學(xué)元件對(duì)雜散光的影響。光學(xué)拋光表面的菲涅耳反光和透光率分別為4%和96%。通過改變表面的透光率，可以控制鏡面雜散光。AR涂層減少了光學(xué)系統(tǒng)中的反光。通過在物體10的正面應(yīng)用AR涂層作為面光學(xué)特性(FOP)，可以消除鬼像點(diǎn)。

重要參數(shù)設(shè)置

meshing網(wǎng)格設(shè)置是獲得正確仿真結(jié)果的關(guān)鍵。它們定義了將被模擬的幾何圖形的質(zhì)量。網(wǎng)格可以得到更好的結(jié)果，但也需要更長的模擬時(shí)間。粗糙的網(wǎng)格會(huì)導(dǎo)致較差的結(jié)果，特別是對(duì)于精密的光學(xué)元件。網(wǎng)格設(shè)置成與機(jī)身尺寸成比例，并在所有光學(xué)元件上應(yīng)用了精細(xì)的局部網(wǎng)格。關(guān)于網(wǎng)格設(shè)置的更多細(xì)節(jié)可以Speos user guide在meshing中找到。