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
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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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