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Ansys Lumerical Zemax Speos | CMOS 传感器相机：3D 场景中的图像质量分析

在本例中，我们介绍了一个仿真工作流程，用于在具有不同照明条件的特定环境中，从光学系统和CMOS成像器的组合中分析相机系统的图像质量。此示例主要涵盖整个工作流程中的Ansys Speos部分。该光学系统采用Ansys Zemax OpticStudio设计，并导出到Ansys Speos进行系统级分析。CMOS成像器采用Ansys Lumerical设计，并导出至Ansys Speos。

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概述

在相机系统中，CMOS（互补金属氧化物半导体）成像器是一种电子元件，其中入射吸收的光子产生可以进行数字处理的光电流。在本例中，我们使用Ansys完整的光学解决方案，将Zemax OpticStudio的光学系统信息以及Lumerical的CMOS成像器导入Speos，在3D场景中进行完整的相机系统分析，并仿真成像仪生成的电子地图。在仿真整个光学系统时，这种互操作性工作流程考虑了宏观相机镜头与CMOS图像传感器微观结构之间的相互作用。借助 Speos 处理逼真照明和基于光度学/辐射物理场的渲染功能，用户可以轻松优化组件，并构建图像传感器记录的最终电子地图的准确视图，以设计基于应用的相机。


此虚拟解决方案需要四个主要工具

1. Zemax OpticStudio 和Speos Lens System Importer ，用于导出 Zemax OpticStudio 中设计的镜头模型，供 Speos 使用
2. Speos 用于在 CMOS 成像仪前生成光谱辐照度图
3. Lumerical FDTD和CHARGE，用于计算传感器的量子效率作为入射角和波长的函数
4. Speos 传感器系统SSS导出器，用于组合 Speos 和 Lumerical 结果，并生成传感器捕获的电子地图
由于此示例需要 Lumerical、Zemax OpticStudio 和 Speos 仿真，因此我们主要将自己限制为 Speos 仿真，如以下步骤所述：

第 1 步：使用 Zemax OpticStudio 进行镜头系统设计

在此步骤中，我们在Zemax OpticStudio中设计相机镜头系统，并导出该镜头系统的照明传递函数，并通过Speos（*.）将其格式化为可读文件。OPTdistortion）。降阶模型（ROM）生成的透镜模型称为Speos透镜系统（SLS）。此操作对于镜头系统只需完成一次，这使我们能够在之后在Speos中执行快速的光线追踪相机模拟。


SLS可以将Zemax OpticStudio的主射线角曲线信息提取，生成 *.OPTdistortion文件用于Speos仿真。

第 2 步：Speos仿真

*.OPTdistortion文件被导入到Speos相机传感器中，以定义相机系统的镜头性能，并在具有逼真照明条件的3D场景中评估传感器感知。我们运行光线追踪光度ROM相机模拟，比Speos中的完整镜头系统模拟快约100倍，并提取关键成像指标，如光谱辐照度图。CMOS成像器传感器前面的辐照度图是根据下面所示的完整3D场景计算的，该场景在不同的环境照明条件下，包括白天，黑夜和夜晚。


运算Speos的仿真，得到能量仿真结果，以下是日间光源条件下camera的成像结果：


同样可以得到显示白天 3D 场景中测得的照度值图。


可以通过measurement工具定义传感器照度仿真结果的的测量区域，并捕获白天从场景到传感器的光。在测量信息表中，显示了传感器整个区域捕获的平均照度值。照度结果还使我们能够探索相机光学特性，例如不同传感器位置的失真，暗角和分辨率。


第 3 步：Lumerical Simulation
Speos在CMOS成像仪前模拟的光谱辐照度图需要与传感器的量子效率相结合，才能生成原始电子图。Lumerical FDTD和CHARGE工具已被用于量化所设计的CMOS传感器的量子效率。CMOS图像传感器由带有光学和电子元件的微观像素组成。主要的光学元件是微透镜和彩色滤光片，用于将所需波长的光聚焦在成像器底部硅衬底的正确点上。吸收的光子产生带电载流子，这些载流子被收集并传输以在电子侧进行检测。电子设备具有包括栅极和互连在内的组件，这些组件可能会干扰传感器内部的光路径。耦合光电仿真在FDTD和CHARGE中完成。
第 4 步：Speos 传感器系统导出器
Speos传感器系统导出器是一种用于后处理Speos中相机传感器捕获的辐照度图的工具。为了根据每个像素收集的电子数或电流生成传感器记录的原始图像，我们使用Speos传感器系统导出器工具将Speos的光谱辐照度与Lumerical成像仪的EQE数据相结合。此工具首先根据辐照度图的乘积和相机积分时间计算 Speos 模拟的曝光图，这是 EQE *.json 文件中的可编辑参数。然后，根据EQE数据，该工具计算响应度，即每个入射功率收集的电荷速率，并将响应度乘以光谱曝光图以生成电子图。仿真结果显示了CMOS传感器在不同照明条件下（白天，晚上有灯和不带灯）下20ms积分时间和15,000 e-满井容量的电子地图的比较。

总结

在CMOS设计仿真流程中，设计人员可以联合Lumerical、Zemax、Speos分析整个系统的性能，尝试更多可能性设计分析，该案例也为后续的CMOS串接到宏观的场景图像仿真提供借鉴。