當(dāng)鏡頭設(shè)計(jì)遇上數(shù)字孿生
攝像頭系統(tǒng)：精密而又復(fù)雜
成像系統(tǒng)是一個(gè)多尺度、多重物理量模型，具有多個(gè)相互依賴的組件：
- 鏡頭組從場(chǎng)景中捕捉光子；
- 數(shù)字信號(hào)處理器計(jì)算數(shù)字圖像以獲取信息；
- I/O芯片將成像系統(tǒng)與某個(gè)外部組件相連；
工作流程和結(jié)果
如以下簡(jiǎn)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(lái)仿真圖像。在該示例中，成像系統(tǒng)包含一個(gè)由四個(gè)鏡片構(gòu)成的鏡頭組和一個(gè)具有微透鏡陣列的1.12微米R(shí)GB像素CMOS傳感器。
▲配備四個(gè)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(jì)算鏡頭組光學(xué)參數(shù)得到的卷積結(jié)果
然后，開(kāi)發(fā)者可以在模擬圖像上評(píng)估圖像質(zhì)量。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化鏡頭組，便可以為目標(biāo)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(guò)進(jìn)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(kāi)發(fā)者們可以使用RSoft光子器件工具和LightTools來(lái)預(yù)測(cè)成像系統(tǒng)簡(jiǎn)化示例中的鬼影和眩光。由于傳感器的衍射和反射特性，開(kāi)發(fā)者需要預(yù)測(cè)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(huì)產(chǎn)生強(qiáng)衍射譜，因此必須使用RSoft光子器件工具來(lái)獲得該表面的光學(xué)特性。
更具體地說(shuō)，DiffractMOD RCWA是縝密計(jì)算橫向周期性器件衍射特性的有效工具。它可以輸出各個(gè)衍射級(jí)的反射/透射功率、全反射/透射、各個(gè)衍射級(jí)的振幅/相位/角度，以及仿真域中的場(chǎng)分布。所有結(jié)果都存儲(chǔ)在BSDF文件中，并可以導(dǎo)出到LightTools來(lái)做進(jìn)一步的仿真。
第三步是從CODE V導(dǎo)入鏡頭組幾何形狀，添加傳感器屬性，從RSoft導(dǎo)入BSDF文件，添加光源（下圖中為太陽(yáng)光源），并使用LightTools的光線路徑工具來(lái)運(yùn)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(lèi)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(lái)自CODE V的仿真成像結(jié)果與使用LightTools和RSoft計(jì)算得出的雜散光相結(jié)合。在這個(gè)卷積中可以調(diào)整亮度系數(shù)和能量比。
▲結(jié)合來(lái)自CODE V的仿真圖像與來(lái)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(guò)利用仿真圖像上的圖像質(zhì)量指標(biāo)來(lái)評(píng)估圖像，能夠進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)，從而達(dá)到適合目標(biāo)應(yīng)用的規(guī)格。通過(guò)CODE V、LightTools和RSoft光子器件工具對(duì)仿真圖像進(jìn)行虛擬測(cè)試是一個(gè)強(qiáng)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(guò)仿真預(yù)測(cè)組裝和測(cè)試階段來(lái)節(jié)省時(shí)間。
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