附件下载联系工作人员可获取附件引言本示例的目标是识别工作在红外光谱范围内的热成像系统中的冷反射Narcissus效应。自反射效应是指红外系统内的探测器“看到”自身反射像从而导致图像中心出现暗斑。此外光学系统各表面反射的辐射也会返回至探测器影响系统的成像质量。因此利用 Ansys Speos 软件研究该效应具有重要意义它能够可视化最终图像并量化各光学元件对图像质量的贡献这对于该类光学器件的设计至关重要。软件前置要求冷反射效应可在任何版本的 Ansys Speos 软件中进行建模。然而为能够顺利跟随本示例操作您的计算机上需安装以下版本的软件工具● Ansys Speos 2024 R2或更高版本概述理解仿真工作流程及关键结果冷反射效应是热成像系统如红外相机可能面临的主要噪声来源会影响系统的整体性能。该效应的产生根源在于探测器低温端与系统其余部分之间的温差。由于探测器对热变化具有高度敏感性当光线在光学系统中传播发生内部反射时探测器自身的像将被反射并出现在图像中心其贡献量显著高于其他光学元件以及被观测物体本身的贡献。在大多数情况下通过选用合适的增透膜层可以解决冷反射效应对图像的主要影响。在本示例中我们将复现红外相机中的冷反射效应分析传感器自身相较于其余光学元件的贡献量。为此将使用 Speos 中可用的热源类型分别施加于相机的每一个光学元件上。上述图片展示了使用 Ansys Speos 分析红外相机中冷反射效应的逐步过程。1.定义热源在光学系统中正确定义热源对于可视化冷反射效应至关重要。本示例中红外相机的每个组件都将关联一个由温度值定义的热源。这些热源是导致传感器平面上出现冷反射效应的根本原因。2.设置逆向仿真定义热源之后将生成计算逆向仿真所需的其余要素。除传感器和几何体选择外还将对构成红外相机的四片透镜施加局部网格划分。3.仿真结果——图像质量分析计算逆向仿真后生成的辐照度图使我们能够可视化冷反射效应。此外借助图层选项我们可以分别分析每个光源的单独贡献。4.仿真结果——光路分析借助定义仿真时可用的 Light Expert 工具我们能够通过可视化红外相机内部的光线路径完成对该效应的分析。本文仅涵盖在 Ansys Speos 软件中对冷反射效应的可视化分析中同时考虑了透镜系统和结构件系统的影响。如需了解更多仅针对 Ansys Zemax OpticStudio 中透镜系统冷反射效应分析的详细信息可参阅 OpticStudio 冷反射分析宏。运行与结果模型运行说明及关键结果讨论说明关联文件在可下载的数据中您将找到两个主文件夹START起始和 END结束。在本示例中我们将使用START文件夹中的数据进行分步操作。您也可以在 END 文件夹中找到完整项目届时只需运行仿真即可获得最终结果。步骤1定义热源为了能够在 Ansys Speos 中运行仿真以分析冷反射效应第一步是定义需要纳入的光源和传感器。在本示例中特别重要的是为红外相机的每个组件以及用作目标物的测试靶标定义热源。理想情况下我们希望在仿真结果中仅看到测试靶标但实际情况中相机系统各组件在远红外波段也会发出辐射因此也需要将它们定义为热源以便将所有组件均纳入仿真之中。为此每个热源将根据对应组件的不同赋予不同的温度定义。通过这样做我们能够仿真出传感器将探测到的来自各不同元件的全部贡献。有关 Speos 中热源定义和规格的更多信息我们推荐您访问 Ansys Learning Hub学习“使用 Ansys Speos 软件进行远红外分析”课程。您也可以查阅《创建热源—— Speos 用户指南》。下表列出了本示例中所使用的温度值。这些数值可根据不同的使用场景进行调整。前五个组件属于红外相机系统最后一个“热源物体”指的是我们用作目标物的测试靶标。请按照以下步骤操作1. 打开 Ansys Speos 软件。2. 在下载的数据中打开 “IR_camera-Narcissus_effect.scdocx”文件路径为“Narcissus_effect_on_IR_camera START”。3. 在 “Light Simulation” 光照仿真选项卡中点击 “Sources” 光源组下的 “Thermic” 热源。仿真面板中应出现一个新的热源。双击该热源以打开定义面板1.将光源名称改为 “Thermic objective mount” 热源物镜结构件。2.将 “Flux Type” 通量类型更改为 “Radiant” 辐射通量。3.在 “Emittance” 发射选项中将温度修改为物镜结构件对应的数值请参考本节开头给出的表格。4.在3D视图的左下角点击图标然后在结构树中选择 “IR-CAMERA_MOUNT” 红外相机结构件。此时物镜结构件应在3D视图中高亮显示。然后确认当前激活的选择。所有被选中的几何体共26个应出现在定义面板的 “Emissive faces” 发射面列表中。5.点击 “Compute” 计算以预览该光源定义下的结果。6.再创建另外五个热源分别对应红外相机的其余各元件。这些组件及其对应温度已在本节开头的表格中指定。这些热源的其他参数定义应与已创建的物镜结构件热源保持一致。注意对于目标物体测试靶标的热源定义仅需选择其背面即背景面作为发射面。此外必须勾选“反向法线”Reverse Normal选项以确保热源朝向红外相机方向发射辐射。当本示例中红外相机的所有热源均已定义完成后下一步便是设置其余的仿真参数和几何体。步骤2设置逆向仿真传感器定义在本示例中将建立一个逆向仿真。除了上一步已定义的六个热源之外还需定义一个辐照度传感器irradiance sensor。1.在 “Light Simulation”光照仿真选项卡的 “Sensors” 传感器组中点击“Irradiance sensor”辐照度传感器。2.在3D视图的左下角点击坐标系原点图标然后依次点击结构树中的 “IR-CAMERA_SENSOR” 红外相机传感器 “Sensor origin” 传感器原点。3.对于X和Y方向保持默认选择不变。对于积分方向integration direction选择Z轴并将 “Reverse direction”反向设置为 “True”是以使其与光线在系统中的传播方向对齐。4.在传感器的定义面板中将类型Type更改为 “Spectral”光谱并选择 “Source”光源作为图层类型Layer type以便按所创建的热源对可视化结果进行筛选过滤。5.按下图所示设置X和Y范围X range / Y range以及波长参数Wavelength。局部网格划分为获得更精确的仿真结果本示例将对四片透镜施加局部网格划分参数。这一过程对于在仿真中精确建模透镜面形是必要的。为简化操作我们首先创建一个组将所有需要定义局部网格的面归入其中。通过这种方式我们可以在透镜表面定义更精细的网格以获得更高的精度而系统的其他几何体如机械结构件则采用较粗略的网格进行仿真。有关 Ansys Speos 中网格划分的更多信息我们推荐您参阅《Speos 网格划分最佳实践》。1.在3D视图中隐藏除四片透镜之外的所有红外相机组件。2.按住 Ctrl 键在3D视图中开始依次选择每片透镜的所有曲面每片透镜2个曲面如下图所示。如果某些隐藏面难以选中您可以暂时隐藏其他透镜以简化选择过程。另一种操作方式是按住 Ctrl 键先选中一个面然后滚动鼠标滚轮这样选择会遍历几何体上所有可见面从而方便您选中所需的面。3.待所有曲面均被选中后转到 “Groups”组面板点击 “Create NS”创建NS组图标。此时会出现一个新组将其重命名为 “Lenses”透镜组。4.回到 “Light Simulation”光照仿真选项卡在 “Geometry properties”几何体属性部分点击 “Local Meshing”局部网格划分。仿真面板上应出现一个新图标。5.按下图所示定义透镜局部网格划分的参数。点击3D视图左下角的图标然后选择之前创建的 “Lenses” 组。局部网格将仅应用于这些面。6.最后为在3D视图中查看局部网格右键点击定义面板中已选中的几何体然后点击 “Preview Meshing”预览网格。定义逆向仿真为了可视化红外相机中的冷反射效应我们将定义一个逆向仿真inverse simulation。1.在 “Light Simulation”光照仿真选项卡的 “Simulation”仿真区域中点击 “Inverse simulation”逆向仿真。2.在仿真面板上双击生成的 “Inverse.1” 仿真按下图所示修改其参数。将仿真重命名为 “Inverse.narcissus” 以便识别。请务必启用 “Light Expert”光线专家选项将其值改为 “True”是“LPF max path”LPF最大路径参数保持默认值。3.右键点击该逆向仿真选择 “Options”选项。在 “Inverse simulation”逆向仿真选项卡中勾选 “Dispersion”色散选项。4.在3D视图的左下角点击图标以选择要纳入仿真的几何体。从结构树中选择“IR-CAMERA_MOUNT”红外相机结构件、“IR-CAMERA_LENS1”透镜1、“IR-CAMERA_LENS2”透镜2、“IR-CAMERA_LENS3”透镜3、“IR-CAMERA_LEN4”透镜4、“IR-CAMERA_RINGS”隔圈/压圈、“IR-CAMERA_SENSOR”传感器、“IR-CAMERA_OBJECT_SOURCE”目标热源物体、“IR-CAMERA_PROTECT-GLASS”保护玻璃。然后确认选择。所有31个几何体应出现在逆向仿真定义面板中。5.重复上述选择过程将之前创建的六个热源以及辐照度传感器一并选中。6.点击 “Compute”计算等待仿真结果。计算逆向仿真所需的时间该仿真需在CPU上运行不支持GPU加速取决于硬件配置。在本示例中采用前序步骤定义的全部仿真参数获得步骤3和步骤4所示的结果在CPU上20核大约耗时2小时。为获得精确结果我们强烈建议采用上述完整设置。不过如有需要也可采取若干措施来缩短计算时间具体请参见本文“重要模型设置”一节。步骤3仿真结果——图像质量分析仿真完成后将生成两个主要文件一个 .html 报告文件和一个 .xmp 辐照度图文件。前者包含与仿真性能和分析相关的全部信息包括计算分析、误差百分比及其他规格参数。在本示例中我们将重点关注 “Inverse.narcissus.Irradiance.xmp” 文件该文件使我们能够以辐照度的形式在传感器平面上可视化冷反射效应。1.打开生成的“.xmp”辐照度图文件。2. 在 “View”视图选项卡中默认选中 “Photometric units”光度学单位。请将其切换为 “Radiometric units”辐射度学单位以便能够显示红外波长范围。3. 在 “Color map”颜色映射选项卡中默认选中 “True Color”真彩色。请将颜色映射更换为您偏好的类型。为更好地可视化结果本示例建议选用 “Black to white (custom color)”黑到白自定义色阶。4. 打开色阶标尺level scale调整辐照度的最大值和最小值直到辐照度图中清晰显示结果。为同时可视化所有波长和所有图层建议将辐照度值设置在75–80 W/m²之间但具体设置可能需要根据所选颜色映射的类型进行微调。辐照度图能够直观展示本示例红外相机中的冷反射效应。下图显示由于该效应的影响传感器并未接收到来自目标热源物体所预期的均匀辐照度信号。相反图像的中心和四角均显示出红外相机其他元件的贡献。在辐照度传感器中定义的各光源图层source layers使我们能够分别可视化每个光源对图像的单独贡献。这使得我们可以全面研究红外相机各元件所提供的能量大小从而识别出冷反射效应中的主要贡献者。下图显示了本示例中各不同光源的辐照度图均采用“黑到白自定义色阶”颜色映射。为正确观察每个图层关键是要根据各贡献的辐照度值调整色阶标尺直到显示的结果与下图所示相近为止。“Measurements”测量工具提供了对红外相机中各元件对冷反射效应贡献进行更全面研究的选项。通过选择感兴趣的区域您可以获得不同的测量值如平均值、最大值、最小值等从而分析每个热源所提供的辐照度大小。通过将图层定义与测量工具相结合我们可以比较各个光源的辐照度贡献值。从下图中可以看出在本示例为各热源设定的温度条件下传感器的平均辐照度值为0.2 W/m²而物镜结构件的平均值则高出一个数量级。在以下 Speos 用户指南链接中您可以找到有关仿真结果的更多信息可视化结果 和 HTML 仿真报告。步骤4仿真结果——光线路径分析由于在定义逆向仿真时启用了 “Light Expert”光线专家选项仿真面板中 .xmp 文件的下方会额外生成一个 .lpf 文件。打开该文件后我们将能够在3D视图中显示光线的传播路径并可按区域和交互面进行筛选过滤。1.打开生成的 .lpf 文件。辐照度图将随之打开并默认显示一个选定区域该区域的大小和位置均可调整。2.Light Expert 工具提供了通过选择系统中所需面或排除面来筛选显示光线的功能以绘制光路。我们点击3D视图中的“所需面”图标然后选择系统中的四片透镜。3.在定义 Light Expert 参数时我们将采用 “Or”或逻辑进行面筛选光线数量设为1000条绘制光线长度为50mm旋转rotation设为0mm。4.在结构树中选择一个平面以显示系统的剖面视图从而更清晰地观察红外相机内部的光线路径。您也可以点击3D视图中的第三个图标然后选择所需的参考面从而选用任意其他自定义平面。5.辐照度图的设置将沿用本文步骤3中的操作流程。为了在我们已设定的设置下可视化光线路径只需在辐照度图上选定一个区域然后对该选定区域结果有贡献的光线便会显示在3D视图中如下图所示。我们可以更改该区域的大小和位置也可以切换3D视图中的参考平面来观察光线。通过选择所需面和排除面我们还可以根据光线与面之间的交互类型对显示的光线进行筛选过滤。综上所述凭借定义热源的能力以及在红外光谱范围内宽工作波长的支持 Ansys Speos 软件提供了一套用于可视化光学系统中冷反射效应的完整工作流程。辐照度图中的图层选项使用户能够按光源贡献分离结果从而简化了该效应的分析过程。 Light Expert 工具则通过可视化红外相机内部的光线路径提供了更全面的研究手段帮助用户理解各区域中可能导致该效应的光线交互行为。对红外系统中冷反射效应的分析在其设计过程中至关重要因为充分理解该效应在光学系统内的成因是在后续设计阶段中对其进行校正的第一步。重要模型设置本模型中所使用的重要对象及设置说明以及根据您设备参数更新模型的操作指南仿真计算时间运行逆向仿真时关键参数之一是所定义的 “pass”遍数更具体地说是计算单遍所花费的时间。一方面逆向仿真的单遍耗时高度依赖于传感器的两个参数如有必要我们可以通过调整它们来调节计算时间像素采样pixel sampling和波长采样wavelength sampling。X和Y方向的像素采样值越高可视化结果越平滑。波长采样亦是如此。通过降低这些参数逆向仿真可以在更短时间内完成单遍计算且不会影响信噪比。但需要注意的是降低这些参数会降低结果的精度。另一方面本示例中设置的遍数上限为1500遍。为缩短仿真时间减少遍数也是一种可行方案。但需要指出的是此举会增加结果中的噪声水平。影响计算时间的另一个因素是网格划分定义。在本示例中我们对所研究的红外相机透镜定义了局部网格。其中的 Sag 值矢高值为0.01 mm如有必要可适当增大以减少仿真的初始化时间。总之在管理仿真计算时间时关键在于根据每个具体应用场景在各项参数定义之间找到并调整出最佳平衡点。关于 Ansys Speos 软件仿真最佳实践的更多信息可参阅《可视化仿真参数最佳实践 – Ansys Optics》。注意信噪比SNR信噪比Signal to Noise Ratio, SNR表征测量质量在本应用中即指光学系统的成像质量。为获得该值我们需要知道信号电平并将其与无用的噪声电平进行比较从而以信号功率与噪声功率之比的形式来表示SNR