當鏡頭設(shè)計遇上數(shù)字孿生
攝像頭系統(tǒng)：精密而又復雜
成像系統(tǒng)是一個多尺度、多重物理量模型，具有多個相互依賴的組件：
- 鏡頭組從場景中捕捉光子；
- CMOS圖像傳感器將這些光子轉(zhuǎn)換成電子；
- 圖像信號處理器芯片將原始電子信號轉(zhuǎn)換成具有不同顏色、去噪且人眼可讀的數(shù)字圖像；
- 數(shù)字信號處理器計算數(shù)字圖像以獲取信息；
- I/O芯片將成像系統(tǒng)與某個外部組件相連；
工作流程和結(jié)果
如以下簡化示例所述，現(xiàn)在已經(jīng)可以使用CODE V、LightTools和RSoft光子器件工具來仿真圖像。在該示例中，成像系統(tǒng)包含一個由四個鏡片構(gòu)成的鏡頭組和一個具有微透鏡陣列的1.12微米RGB像素CMOS傳感器。
▲配備四個鏡片和CMOS傳感器的成像系統(tǒng)示例
▲右側(cè)的輸出圖像是輸入圖像與由CODE V計算鏡頭組光學參數(shù)得到的卷積結(jié)果
然后，開發(fā)者可以在模擬圖像上評估圖像質(zhì)量。通過進一步優(yōu)化鏡頭組，便可以為目標應(yīng)用提供所需的圖像質(zhì)量。
2. 使用LightTools和RSoft光子器件工具仿真雜散光
大多數(shù)成像系統(tǒng)都必須經(jīng)過進一步優(yōu)化，以避免出現(xiàn)雜散光而影響預(yù)期的成像品質(zhì)。鬼影和眩光是成像系統(tǒng)中的典型雜散光。開發(fā)者們可以使用RSoft光子器件工具和LightTools來預(yù)測成像系統(tǒng)簡化示例中的鬼影和眩光。由于傳感器的衍射和反射特性，開發(fā)者需要預(yù)測系統(tǒng)中的雜散光。CMOS圖像傳感器通常是微米大小像素的集合，這些像素會產(chǎn)生強衍射譜，因此必須使用RSoft光子器件工具來獲得該表面的光學特性。
更具體地說，DiffractMOD RCWA是縝密計算橫向周期性器件衍射特性的有效工具。它可以輸出各個衍射級的反射/透射功率、全反射/透射、各個衍射級的振幅/相位/角度，以及仿真域中的場分布。所有結(jié)果都存儲在BSDF文件中，并可以導出到LightTools來做進一步的仿真。
第三步是從CODE V導入鏡頭組幾何形狀，添加傳感器屬性，從RSoft導入BSDF文件，添加光源（下圖中為太陽光源），并使用LightTools的光線路徑工具來運行蒙特卡洛仿真，以分析雜散光所有可能的路徑。仿真結(jié)果將類似于右側(cè)所示的圖像。
▲左側(cè)是LightTools攝像頭模型；右側(cè)是傳感器上看到的雜散光圖
3. 使用COM API將仿真成像結(jié)果與雜散光圖相結(jié)合 最后一步是使用COM API將來自CODE V的仿真成像結(jié)果與使用LightTools和RSoft計算得出的雜散光相結(jié)合。在這個卷積中可以調(diào)整亮度系數(shù)和能量比。
▲結(jié)合來自CODE V的仿真圖像與來自LightTools的雜散光圖而得到的卷積圖像；右側(cè)是仿真成像結(jié)果
通過利用仿真圖像上的圖像質(zhì)量指標來評估圖像，能夠進一步優(yōu)化系統(tǒng)，從而達到適合目標應(yīng)用的規(guī)格。通過CODE V、LightTools和RSoft光子器件工具對仿真圖像進行虛擬測試是一個強大的工作流程，不僅可以避免成像系統(tǒng)超規(guī)格，而且還可以通過仿真預(yù)測組裝和測試階段來節(jié)省時間。
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