在本例中，我們介紹了一個(gè)仿真工作流程，用于在具有不同照明條件的特定環(huán)境中，從光學(xué)系統(tǒng)和CMOS成像器的組合中分析相機(jī)系統(tǒng)的圖像質(zhì)量。此示例主要涵蓋整個(gè)工作流程中的Ansys Speos部分。該光學(xué)系統(tǒng)采用Ansys Zemax OpticStudio設(shè)計(jì)，并導(dǎo)出到Ansys Speos進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)分析。CMOS成像器采用Ansys Lumerical設(shè)計(jì)，并導(dǎo)出至Ansys Speos。

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概述

在相機(jī)系統(tǒng)中，CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）成像器是一種電子元件，其中入射吸收的光子產(chǎn)生可以進(jìn)行數(shù)字處理的光電流。在本例中，我們使用Ansys完整的光學(xué)解決方案，將Zemax OpticStudio的光學(xué)系統(tǒng)信息以及Lumerical的CMOS成像器導(dǎo)入Speos，在3D場(chǎng)景中進(jìn)行完整的相機(jī)系統(tǒng)分析，并仿真成像儀生成的電子地圖。

在仿真整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，這種互操作性工作流程考慮了宏觀相機(jī)鏡頭與CMOS圖像傳感器微觀結(jié)構(gòu)之間的相互作用。借助 Speos 處理逼真照明和基于光度學(xué)/輻射物理場(chǎng)的渲染功能，用戶可以輕松優(yōu)化組件，并構(gòu)建圖像傳感器記錄的最終電子地圖的準(zhǔn)確視圖，以設(shè)計(jì)基于應(yīng)用的相機(jī)。

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此虛擬解決方案需要四個(gè)主要工具

1. Zemax OpticStudio 和Speos Lens System Importer ，用于導(dǎo)出 Zemax OpticStudio 中設(shè)計(jì)的鏡頭模型，供 Speos 使用

2. Speos 用于在 CMOS 成像儀前生成光譜輻照度圖

3. Lumerical FDTD和CHARGE，用于計(jì)算傳感器的量子效率作為入射角和波長(zhǎng)的函數(shù)

4. Speos 傳感器系統(tǒng)SSS導(dǎo)出器，用于組合 Speos 和 Lumerical 結(jié)果，并生成傳感器捕獲的電子地圖

由于此示例需要 Lumerical、Zemax OpticStudio 和 Speos 仿真，因此我們主要將自己限制為 Speos 仿真，如以下步驟所述：

第 1 步：使用 Zemax OpticStudio 進(jìn)行鏡頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在此步驟中，我們?cè)赯emax OpticStudio中設(shè)計(jì)相機(jī)鏡頭系統(tǒng)，并導(dǎo)出該鏡頭系統(tǒng)的照明傳遞函數(shù)，并通過(guò)Speos（*.）將其格式化為可讀文件。OPTdistortion）。降階模型（ROM）生成的透鏡模型稱為Speos透鏡系統(tǒng)（SLS）。此操作對(duì)于鏡頭系統(tǒng)只需完成一次，這使我們能夠在之后在Speos中執(zhí)行快速的光線追蹤相機(jī)模擬。

SLS可以將Zemax OpticStudio的主射線角曲線信息提取，生成 *.OPTdistortion文件用于Speos仿真。

第 2 步：Speos仿真

*.OPTdistortion文件被導(dǎo)入到Speos相機(jī)傳感器中，以定義相機(jī)系統(tǒng)的鏡頭性能，并在具有逼真照明條件的3D場(chǎng)景中評(píng)估傳感器感知。我們運(yùn)行光線追蹤光度ROM相機(jī)模擬，比Speos中的完整鏡頭系統(tǒng)模擬快約100倍，并提取關(guān)鍵成像指標(biāo)，如光譜輻照度圖。CMOS成像器傳感器前面的輻照度圖是根據(jù)下面所示的完整3D場(chǎng)景計(jì)算的，該場(chǎng)景在不同的環(huán)境照明條件下，包括白天，黑夜和夜晚。

運(yùn)算Speos的仿真，得到能量仿真結(jié)果，以下是日間光源條件下camera的成像結(jié)果：

同樣可以得到顯示白天 3D 場(chǎng)景中測(cè)得的照度值圖。

可以通過(guò)measurement工具定義傳感器照度仿真結(jié)果的的測(cè)量區(qū)域，并捕獲白天從場(chǎng)景到傳感器的光。在測(cè)量信息表中，顯示了傳感器整個(gè)區(qū)域捕獲的平均照度值。照度結(jié)果還使我們能夠探索相機(jī)光學(xué)特性，例如不同傳感器位置的失真，暗角和分辨率。

第 3 步：Lumerical Simulation

Speos在CMOS成像儀前模擬的光譜輻照度圖需要與傳感器的量子效率相結(jié)合，才能生成原始電子圖。Lumerical FDTD和CHARGE工具已被用于量化所設(shè)計(jì)的CMOS傳感器的量子效率。CMOS圖像傳感器由帶有光學(xué)和電子元件的微觀像素組成。

主要的光學(xué)元件是微透鏡和彩色濾光片，用于將所需波長(zhǎng)的光聚焦在成像器底部硅襯底的正確點(diǎn)上。吸收的光子產(chǎn)生帶電載流子，這些載流子被收集并傳輸以在電子側(cè)進(jìn)行檢測(cè)。電子設(shè)備具有包括柵極和互連在內(nèi)的組件，這些組件可能會(huì)干擾傳感器內(nèi)部的光路徑。耦合光電仿真在FDTD和CHARGE中完成。

第 4 步：Speos 傳感器系統(tǒng)導(dǎo)出器

Speos傳感器系統(tǒng)導(dǎo)出器是一種用于后處理Speos中相機(jī)傳感器捕獲的輻照度圖的工具。為了根據(jù)每個(gè)像素收集的電子數(shù)或電流生成傳感器記錄的原始圖像，我們使用Speos傳感器系統(tǒng)導(dǎo)出器工具將Speos的光譜輻照度與Lumerical成像儀的EQE數(shù)據(jù)相結(jié)合。此工具首先根據(jù)輻照度圖的乘積和相機(jī)積分時(shí)間計(jì)算 Speos 模擬的曝光圖，這是 EQE *.json 文件中的可編輯參數(shù)。

然后，根據(jù)EQE數(shù)據(jù)，該工具計(jì)算響應(yīng)度，即每個(gè)入射功率收集的電荷速率，并將響應(yīng)度乘以光譜曝光圖以生成電子圖。仿真結(jié)果顯示了CMOS傳感器在不同照明條件下（白天，晚上有燈和不帶燈）下20ms積分時(shí)間和15,000 e-滿井容量的電子地圖的比較。

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總結(jié)

在CMOS設(shè)計(jì)仿真流程中，設(shè)計(jì)人員可以聯(lián)合Lumerical、Zemax、Speos分析整個(gè)系統(tǒng)的性能，嘗試更多可能性設(shè)計(jì)分析，該案例也為后續(xù)的CMOS串接到宏觀的場(chǎng)景圖像仿真提供借鑒。

審核編輯：劉清