使用Ansys Speos進行智能手機鏡頭雜散光分析

本例的目的是研究智能手機Camera系統的雜散光。雜散光是指光向相機傳感器不需要的散光光或鏡面光，是在光學設計中無意產生的，會降低相機系統的光學性能。

前言

在本例中，光學透鏡系統使用Ansys Zemax OpticStudio (ZOS)進行設計，并使用新的“Zemax Importer”工具一鍵導入鏡頭系統到Speos中進行系統級雜散光分析。所使用的光學機械參數和透鏡邊緣可以在CAD平臺上進行設計，然后在Ansys Speos中進行修改。這個例子主要涵蓋了整個工作流程中的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工具分析相機系統雜散光的典型工作流程。工作流程可分為四個部分:1. 使用“Zemax Importer”工具導入ZOS鏡頭設計到Speos。2. 檢測所有可能的關鍵太陽位置和整個系統的光泄漏。3.相機視場內四個外環境太陽位置的雜散光模擬(可選)。4. 分析雜散光路徑序列，對外環境太陽位置的雜散光進行抑制。

第一步：使用“Zemax Importer”工具導入OS鏡頭設計到Speos

使用“Zemax導入工具”導入ZOS鏡頭設計到Speos。在這里，使用ZOS設計的高效手機相機鏡頭系統，通過使用Zemax importer工具可以讀取ZOS透鏡數據參數，并根據它們的數學表示自動重建每個透鏡，作為基于CAD的Speos透鏡特性幾何數據，并訪問所有透鏡參數。此外，該工具將ZOS材料轉換為Speos材料格式，并將光學特性應用到透鏡上。該成像過程使用一個照度傳感器。所有幾何圖形的參考點、原點和照度傳感器對應于圖像平面的位置。然后將鏡頭系統添加到光學機械部分(灰色)和鏡頭邊緣(黃色)。

1. 在Speos仿真界面，點擊Zemax import工具，然后選擇*.ZMX的Zemax鏡頭設計數據，工具會自動轉換Zemax的鏡頭數據參數、材料和能量接收器信息，并將其轉換為Speos功能數據。

2. 為了清晰顯示鏡頭系統，可以以不同的顏色顯示不同的鏡頭數。

3. 定義環境太陽光源入光到鏡頭系統中，并在direct simulation選擇source、geometry、sensor運算仿真，激活light expert為true，并在sensor中勾選LXP選項。

第二步：檢測所有可能的關鍵太陽位置和整個系統的光泄漏

使用光線逆向追蹤模擬方法在一個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發送光線通過相機系統到天空。通過這種方法，還可以檢測機械系統中的漏光。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，將根據相機視場內外的臨界和光線路徑對這些區域進行分類。相機視場內的光源可以在鏡頭表面經歷多次二次反光，導致鬼反光，鏡頭光暈在成像儀上。視場外的光源會對機械和光學零件造成雜散光散光。通過利用Speos LXP功能，可以在強度結果上可視化和導出這些特定區域的光線路徑。

對于本例，假設相機系統水平對稱。因此，將強度傳感器作為半球體放置在系統的頂部。使用LXP功能，可以選擇任意區域并顯示光線傳播路徑。

第三步：視場內四個太陽位置的雜散光模擬

在這一步中，運行了一個完整的系統雜散光模擬在相機視場內的四個不同的太陽位置(從0°到15°)。模擬使用Speos GPU運行，得到完整的相機系統在相機成像sensor上的雜散光結果為四個太陽位置分別的成像效果。

第四步：分析雜散光路徑序列，對一個太陽位置的雜散光進行抑制

在第4步中，將通過利用Speos LXP和“序列檢測”功能，識別很關鍵的光線路徑序列(根據傳感器的照度)和導致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°太陽位置成像結果，打開xmp，點擊measure，選擇雜光區域，并顯示其數據結果。

2. 在XMP結果中，點擊tools工具，sequence detection得到序列分層光線結果，得到序列層以發現從層1到層20的光線路徑序列，這些序列是根據能量到達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出的直接順序路徑。穿過前四個透鏡，直到它們被鏡面反光到物體10的正面。單擊對象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用于結果中的其他區域，以識別導致雜散光的元素。

5. 一旦對系統進行了分析，就可以與設計和機械團隊討論不同光學元件對雜散光的影響。光學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涂層減少了光學系統中的反光。通過在物體10的正面應用AR涂層作為面光學特性(FOP)，可以消除鬼像點。

重要參數設置

meshing網格設置是獲得正確仿真結果的關鍵。它們定義了將被模擬的幾何圖形的質量。網格可以得到更好的結果，但也需要更長的模擬時間。粗糙的網格會導致較差的結果，特別是對于精密的光學元件。網格設置成與機身尺寸成比例，并在所有光學元件上應用了精細的局部網格。關于網格設置的更多細節可以Speos user guide在meshing中找到。

審核編輯：湯梓紅