案例 | Ansys Speos 成像仿真方法介绍

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前言

摄像头已成为车载、手机终端等方向不可或缺的应用，结合Speos丰富的光学材料库、光源数据模型等可以对三维场景进行准确赋值，最终呈现真实场景的拍摄效果。在光学全链路仿真分析中，Speos集成的成像系统杂散光分析、成像质量仿真分析功能成为优化成像质量的重要一环。本文主要基于Ansys Speos成像仿真方法介绍，提供数字化验证仿真解决方案。

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仿真方法介绍

2.1 基于Lens组CAD模型“白盒化”的成像仿真

方法1：基于Lens组 CAD模型导出法仿真

第1步：利用Zemax OpticStudio导出Lens组CAD模型；导出所使用材料体属性、表面处理数据，并利用Speos将其转换为可被识别的VOP/SOP文件；

第2步：利用Speos完善建立光学仿真模型，包括但不局限于添加镜筒、设置材料VOP&SOP光学属性、定义光源（Chart图用Display source，平行光用面光源）、定义Irradiance传感器（杂光分析时选sequence）、定义仿真类型（注意Geometrical distance tolerance数值调整，Inverse simulation注意开启色散）；

第3步：运行仿真，并使用Virtual Photometric Labs查看xmp结果。

方法2：基于Speos Lens Import功能导入法仿真

打开Speos，利用Assembly下Lens Import工具直接打开“.zmx”文件；完善建立光学仿真模型，参考方法1完成光学仿真，分析成像结果。

2.2 基于Lens组“黑盒化”的成像仿真 

方法1：基于Zemax OpticStudio导出Distortion file的成像仿真

第1步：利用Zemax OpticStudio自带的Export to Speos Lens System工具或Speos Lens system Importer Beta工具导入“.zmx”文件生成“.OPTDistortion”文件；

第2步：利用Speos自带Camera Sensor传感器，完善仿真模型，运行仿真，查看仿真结果。

若考虑紫边等情况，可参考如下案例仿真流程进行：

仿真案例：将400-700nm光谱范围划分为5个子项(可按实际需求调整分割数量）

400-460nm，标称波长430nm；

460-520nm，标称波长490nm；

520-580nm，标称波长550nm；

580-640nm，标称波长610nm；

640-700nm，标称波长670nm；

1）使用AnsysZemaxOpticStudio打开lens设计文件（如下图所示）；

2）鼠标左键双击System Explorer--Wavelengths下Settings，弹出Wavelength Data界面；

3）仅保留序号1，并将波长更改为0.430um，点击Close关闭如下弹窗；

4）点击saveas，可以命名为430nm（建议名称可以划分区间，便于后续调用区分）；

5）重复步骤1）-4）分别存储波长为490nm、550nm、610nm、670nm“.zmx”文件；

6）打开Speos Lens system Importer工具，点击Import导入第5步生成的“.zmx”文件，分别设置Sensor size、Radial Sampling数值，点击Compute；

点击save，弹出Choose output parameters弹窗，点击ok，保存畸变文件“.OPTDistortion”（注意此步骤生成文件需保存到SPEOS input files文件夹下）；

7）重复步骤6）分别存储波长为490nm、550nm、610nm、670nm“.OPTDistortion”文件；

8）设置透过率曲线（按光谱曲线划分细节分别设置，本案例按400-460nm、460-520nm、520-580nm、580-640nm、640-700nm设置5个“.spectrum”文件）,打开Speos安装目录下Spectrum Editor 2023 R2，通过+-增减Wavelength（nm）手动设置各区间下光谱透过率数值，未涉及的区间设置value为0；此步骤如有实际透过率光谱数据，可利用Spectrum Editor 2023 R2直接裁剪波长区间；

9）打开Speos软件，打开仿真模型；同时建立5个CameraSensor（数量与第1步分割数量一致，本例中本案例按400-460nm、460-520nm、520-580nm、580-640nm、640-700nm设置5个）

单个Camera设置如下图所示，分别导入第7步、第8步生成文件，此步骤注意两文件需对应一致。

10）建立仿真模型，运行仿真（这一步可以调用GPU加速）

11)调用PhotometricCalc功能，合成iraadiancexmp文件，合成仿真最终结果图。

方法2：基于Speos Light Box的成像仿真

打开*.SPEOSLightBox文件（需供应商提供）定义光源（Chart图用Display source，平行光用面光源）、定义Irradiance传感器（杂光分析时选sequence）、定义仿真类型（注意Geometrical distance tolerance数值调整，Inverse simulation注意开启色散)；运行仿真，并使用Virtual Photometric Labs查看xmp结果。

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结论

本文主要提供2大类Camera仿真方法，介绍了基于Speos可以实现的仿真通路，结合三维场景建立、不同输入光谱、不同Lens组光学参数等设置，通过成像系统杂散光分析、成像质量仿真分析，通过真实场景拍摄效果对比，提供数字化验证仿真解决方案，帮助光学工程师对车载摄像头、手机终端摄像头等应用择优选择解决方案。

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