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杂散光介绍

杂散光是光学系统中的非有效光线,可能是有效口径内的多次反射、机构反射、或是有效口径外的光线反射造成的鬼影(Ghost)或光斑(Flare),而这些杂散光可能会对正常的成像造成影响,因此需要准确分析并妥善处理。

多数镜头的像面(传感器、底片)为方形或矩形,最大视角位于对角线上,但透镜被设计成圆形并覆盖整个视角,因此强光可能在像面外,但仍在最大的视角内,如图一。因此在探讨杂散光时,可先模拟光源在不同入射角下进入镜头的结果,确认需要分析的项目,再进一步分析杂散光的来源。


图一 像面与最大视角


若是有效口径内造成的鬼影,可以借助成像软件CODE V的鬼影分析宏进行分析,虽然CODE V 可找到鬼影可能产生的位置,但是否有更直观的方法? 而CODE V 能分析有效口径内的鬼影,但有效口径外或机构所产生的杂散光又该如何处理?

借助非序列式光学软件LightTools可满足这些分析需求,接下来我们将分享一个实际案例,用LightTools进行杂散光分析。



图二 用于杂散光来源分析的软件


杂散光分析案例分享

该案例的模型为三片式透镜手机镜头,透镜系统由CODE V设计完成后,可以直接存储为LightTools的文件格式。



图三 透镜模型分别在CODE V与LightTools中的3D视图

 

如需调整透镜的外径尺寸或外形,可以利用Revolved Solid对象建立,再与原始透镜用布尔运算联集功能结合。



图四 用Revolved Solid对象建立透镜的外径尺寸与外形

 

镜筒也可利用Revolved Solid对象建立,镜筒的轮廓外形可以利用折线定义,若轮廓以不同折线组成,还可以分别定义不同的表面特性。



图五 用Revolved Solid对象建立镜筒

 

组件之间则加入垫片,以保持各组件之间的间距。



图六 加入垫片对象

 

保护玻璃(Cover Glass)后方加入一片空气材料的薄立方体,前表面可设定反射特性,用来模拟CCD的反射现象,后表面则设定吸收,并设置接收器。


图七 建立接收器


各组件的表面可设定各自的表面特性,透镜、保护玻璃与红外线滤光片后表面有效口径内为抗反射镀膜。透镜、红外线滤光片与保护玻璃有效口径外的表面则设定为高斯散射。而机构件(镜筒与垫片)的表面设定为朗伯散射,探测器前表面则设定为低反射特性。

光源以表面光源建立,放置在距离入瞳孔径400mm的位置。建立时可先放置一参考点于第一个透镜前表面的位置,并与光源进行群组,便于模拟光源由不同入射角入射镜头的结果。并使用参数控制功能固定定位区域。


图八 光源的建立



图九 利用参数控制固定光源的定位区域坐标


功率门坎是光线终止追迹的条件之一,设定适当的功率门坎值非常重要,若设定太大,则能量较弱的杂散光可能并没有进行追迹,而造成结果不精确。若功率门坎设定太小,则能量极小的多次反射或散射光线都会进行追迹,因而增加追迹时间。图十为设定不同的光线功率门坎的模拟结果。此案例中,我们将光线功率门坎设定为0.00001 (1e-5)。



图十 设定不同的光线功率门坎的模拟结果


LightTools的优化模块提供参数灵敏度工具,此工具可以分析变量与评价函数的灵敏度关系,并且储存网格数据与结果图。此案例中,我们将角度设定为变量,并加入功率评价函数,即可使用参数灵敏度工具自动收集各视角的仿真结果。




图十一 不同入射角的模拟结果


模拟不同角度的结果后,我们可以针对需要分析的特定角度,进一步探讨杂散光的来源。LightTools提供光线路径功能,记录所有的追迹路径,每个路径包含依次经过的各个表面或区域,以及光线数量与功率等信息。而接收器上则可加入光线路径过滤器,当勾选显示某些路径时,接收器可以同步更新并显示所选路径在接收器上的贡献。



图十二 光线路径功能接口


搭配光线路径分析工具可以进行路径的过滤,工具中包含不同的筛选条件,可根据分析需求进行选择,此工具可在光线路径管理器中开启。



图十三 光线路径分析工具的接口


此案例中,我们针对10度与35度的光路进行分析,由光线路径的分析结果可以得知杂散光的来源,主要是由第三片透镜、红外线滤光片与保护玻璃表面之间的反射光造成的,而与实际结果进行比对,可以得到吻合的结果。

图十四 10度的杂散光路径、仿真与实际的比较



图十五 35度的杂散光路径、仿真与实际的比较

 

总结

本篇文章中,我们针对杂散光进行了介绍,并提供一个实际的手机镜头杂散光分析案例,分享如何在LightTools中建立镜头模块的各个组件,并设定其光学特性,此外,也说明如何建立接收器与光源,并搭配参数灵敏度工具自动扫描光源在不同角度入射镜头的模拟结果。

利用光线路径功能,我们可以针对杂散光进行分析。由光线路径功能,可分析出主要的杂散光来自第三片透镜、红外线滤光片与保护玻璃表面之间的反射光所造成,而模拟与实际的结果也相吻合。


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