030、杂光鬼像的根因排查——不是所有flare都来自镜头——从IR截止膜反射到sensor表面微透镜的二次反射——用光路追迹定位鬼像来源的实战方法上个月在产线上拿到一颗夜视模组客户反馈在强逆光场景下画面中央偏右出现一个淡青色的圆形光斑位置不随镜头光圈变化但会随视场角轻微漂移。第一反应是镜头镀膜出了问题换了同批次三颗镜头光斑纹丝不动。又怀疑是IR截止滤光片装歪了重新校准后依然存在。最后把sensor换掉光斑消失了——问题出在sensor本身不是镜头。这个案例让我想起很多工程师一看到flare就条件反射地往镜头方向查但鬼像的根因远不止镜头镀膜这一条路。今天就把这类问题的排查思路和光路追迹方法完整拆开讲。先明确一个概念我们常说的flare在光学上分两大类。一类是镜头内部镜片表面的反射鬼像通常表现为对称的、随光圈变化的亮斑或光晕另一类是sensor侧引起的二次反射包括IR截止膜反射、微透镜阵列的沟槽反射、甚至sensor表面钝化层的薄膜干涉。后者往往被忽略因为它在成像面上呈现的形态和镜头鬼像很像但物理机制完全不同。怎么区分一个简单粗暴的判据改变镜头光圈如果鬼像的亮度、大小、位置都不变那大概率不是镜头内部反射。镜头鬼像的强度与光圈面积成正比光圈收小两档鬼像亮度应该明显下降。如果光圈变化对鬼像毫无影响那就要把注意力转向sensor侧。再一个判据鬼像的颜色。镜头镀膜的反射鬼像通常带镀膜的特征色比如绿色或紫色因为多层膜的反射率随波长振荡。而IR截止膜反射的鬼像往往是淡青色或淡蓝色因为IR截止膜在可见光波段有陡峭的透过率边缘反射光在短波端增强。如果看到淡青色鬼像优先怀疑IR截止膜。但这里有个坑sensor表面的微透镜二次反射鬼像颜色也可能是淡青色因为微透镜材料通常是硅基树脂的折射率色散会让短波光更容易在微透镜表面发生全反射。所以颜色只能作为辅助判据不能作为唯一依据。真正靠谱的定位方法是光路追迹。别急着上Zemax或Code V先用几何光学的简化模型手算一遍把可能的鬼像路径画出来。我习惯的做法是三步走。第一步确认鬼像的成像位置。在暗室中用点光源比如激光笔打在白墙上的光点照射镜头记录鬼像在画面中的坐标。注意要分别记录水平方向和垂直方向的偏移量因为鬼像的偏移方向能直接反映反射面的倾斜方向。第二步构建简化光路。把镜头等效成一个薄透镜焦距已知。sensor表面假设为平面反射镜对于IR截止膜反射或周期性微透镜阵列对于微透镜二次反射。从物方点光源出发光线经过镜头折射后到达sensor表面反射后再经过镜头回到像方。用矩阵光学的方法把这条路径的等效焦距和偏移量算出来。这里有个关键参数sensor表面到镜头后焦面的距离。如果IR截止膜贴在sensor盖板玻璃的内侧那反射面到sensor感光面的距离就是盖板玻璃的厚度除以折射率约0.7倍物理厚度。如果IR截止膜是独立镜片那距离就是膜片到sensor感光面的空气间隔。这个距离直接决定了鬼像的弥散程度——距离越大鬼像越模糊距离越小鬼像越锐利。如果鬼像边缘清晰锐利说明反射面离感光面很近大概率是sensor表面的微透镜或钝化层反射如果鬼像边缘柔和模糊说明反射面离感光面较远IR截止膜或盖板玻璃内表面的嫌疑更大。第三步用追迹结果反推反射面位置。假设鬼像在画面中的偏移量为d镜头焦距为f物方点光源在视场角θ处那么反射面到感光面的等效距离L可以通过公式L d / (2 * tan(θ))估算。注意这里的θ是点光源对应的半视场角不是全视场角。算出来L之后和盖板玻璃厚度、IR截止膜空气间隔等已知参数对比就能锁定反射面。我拿这个公式套过很多案例准确率在八成以上。剩下两成失败的情况基本都是因为微透镜阵列的二次反射不是简单的平面反射而是有衍射效应的。微透镜的周期在几微米量级对可见光来说已经接近衍射极限所以鬼像会出现色散和干涉条纹。这时候几何光学就不够用了得用波动光学仿真但那是后话实战中先用几何法缩小范围再决定要不要上仿真。说回开头的案例。我用上述方法算出来L约等于0.4mm而那颗sensor的盖板玻璃厚度是0.5mm折射率1.5等效光学厚度0.33mm加上微透镜层到感光面的距离约0.05mm合计0.38mm和计算值吻合。所以确定是sensor盖板玻璃内侧的IR截止膜反射。但为什么换了sensor就好了因为那颗sensor的IR截止膜镀膜工艺有缺陷反射率比规格高了三个百分点。正常sensor的IR截止膜反射率在1%以下那颗不良品到了4%反射能量足够形成可见鬼像。这个案例给我们的教训是鬼像排查不能只盯着镜头sensor侧的反射同样致命。而且sensor侧的反射往往更隐蔽因为它的反射面离感光面太近鬼像和主像几乎重合看起来像是一个模糊的光晕而不是清晰的鬼影。再补充一个实战技巧用偏振片辅助判断。在镜头前加一个线偏振片旋转偏振方向观察鬼像亮度变化。如果鬼像亮度随偏振方向显著变化说明反射面是光滑表面比如IR截止膜或盖板玻璃因为光滑表面的反射光有偏振特性如果鬼像亮度不随偏振变化说明反射面是粗糙表面或微透镜阵列的漫反射。这个技巧在产线上快速筛选时很管用。最后说说怎么从设计端预防。第一IR截止膜尽量镀在镜头最后一片镜片的后表面而不是sensor盖板玻璃上。这样反射面离感光面远鬼像弥散大不容易被察觉。第二如果必须把IR截止膜放在sensor侧那要严格控制反射率在0.5%以下并且镀膜时要监控膜层的应力防止膜层龟裂导致散射。第三微透镜阵列的沟槽深度和周期要优化让二次反射光尽量偏离成像光路。这个可以用光学仿真软件扫参但别盲目扫先用手算确定大致方向。写到这里想起一个老工程师跟我说过的话鬼像问题七分靠设计三分靠调试。设计阶段把反射路径都画一遍把反射率指标卡死产线上能省掉一半的麻烦。调试阶段遇到鬼像先别急着改镜头花十分钟算一下反射面位置比盲目换料快得多。这篇就到这里。下一章准备写sensor暗电流的温度特性那个也是个大坑产线上冬天和夏天的暗电流能差一倍不处理好夜景模式全是噪点。到时候再细聊。
030、杂光鬼像的根因排查——不是所有flare都来自镜头——从IR截止膜反射到sensor表面微透镜的二次反射——用光路追迹定位鬼像来源的实战方法上个月在产线上拿到一颗夜视模组客户反馈在强逆光场景下画面中央偏右出现一个淡青色的圆形光斑位置不随镜头光圈变化但会随视场角轻微漂移。第一反应是镜头镀膜出了问题换了同批次三颗镜头光斑纹丝不动。又怀疑是IR截止滤光片装歪了重新校准后依然存在。最后把sensor换掉光斑消失了——问题出在sensor本身不是镜头。这个案例让我想起很多工程师一看到flare就条件反射地往镜头方向查但鬼像的根因远不止镜头镀膜这一条路。今天就把这类问题的排查思路和光路追迹方法完整拆开讲。先明确一个概念我们常说的flare在光学上分两大类。一类是镜头内部镜片表面的反射鬼像通常表现为对称的、随光圈变化的亮斑或光晕另一类是sensor侧引起的二次反射包括IR截止膜反射、微透镜阵列的沟槽反射、甚至sensor表面钝化层的薄膜干涉。后者往往被忽略因为它在成像面上呈现的形态和镜头鬼像很像但物理机制完全不同。怎么区分一个简单粗暴的判据改变镜头光圈如果鬼像的亮度、大小、位置都不变那大概率不是镜头内部反射。镜头鬼像的强度与光圈面积成正比光圈收小两档鬼像亮度应该明显下降。如果光圈变化对鬼像毫无影响那就要把注意力转向sensor侧。再一个判据鬼像的颜色。镜头镀膜的反射鬼像通常带镀膜的特征色比如绿色或紫色因为多层膜的反射率随波长振荡。而IR截止膜反射的鬼像往往是淡青色或淡蓝色因为IR截止膜在可见光波段有陡峭的透过率边缘反射光在短波端增强。如果看到淡青色鬼像优先怀疑IR截止膜。但这里有个坑sensor表面的微透镜二次反射鬼像颜色也可能是淡青色因为微透镜材料通常是硅基树脂的折射率色散会让短波光更容易在微透镜表面发生全反射。所以颜色只能作为辅助判据不能作为唯一依据。真正靠谱的定位方法是光路追迹。别急着上Zemax或Code V先用几何光学的简化模型手算一遍把可能的鬼像路径画出来。我习惯的做法是三步走。第一步确认鬼像的成像位置。在暗室中用点光源比如激光笔打在白墙上的光点照射镜头记录鬼像在画面中的坐标。注意要分别记录水平方向和垂直方向的偏移量因为鬼像的偏移方向能直接反映反射面的倾斜方向。第二步构建简化光路。把镜头等效成一个薄透镜焦距已知。sensor表面假设为平面反射镜对于IR截止膜反射或周期性微透镜阵列对于微透镜二次反射。从物方点光源出发光线经过镜头折射后到达sensor表面反射后再经过镜头回到像方。用矩阵光学的方法把这条路径的等效焦距和偏移量算出来。这里有个关键参数sensor表面到镜头后焦面的距离。如果IR截止膜贴在sensor盖板玻璃的内侧那反射面到sensor感光面的距离就是盖板玻璃的厚度除以折射率约0.7倍物理厚度。如果IR截止膜是独立镜片那距离就是膜片到sensor感光面的空气间隔。这个距离直接决定了鬼像的弥散程度——距离越大鬼像越模糊距离越小鬼像越锐利。如果鬼像边缘清晰锐利说明反射面离感光面很近大概率是sensor表面的微透镜或钝化层反射如果鬼像边缘柔和模糊说明反射面离感光面较远IR截止膜或盖板玻璃内表面的嫌疑更大。第三步用追迹结果反推反射面位置。假设鬼像在画面中的偏移量为d镜头焦距为f物方点光源在视场角θ处那么反射面到感光面的等效距离L可以通过公式L d / (2 * tan(θ))估算。注意这里的θ是点光源对应的半视场角不是全视场角。算出来L之后和盖板玻璃厚度、IR截止膜空气间隔等已知参数对比就能锁定反射面。我拿这个公式套过很多案例准确率在八成以上。剩下两成失败的情况基本都是因为微透镜阵列的二次反射不是简单的平面反射而是有衍射效应的。微透镜的周期在几微米量级对可见光来说已经接近衍射极限所以鬼像会出现色散和干涉条纹。这时候几何光学就不够用了得用波动光学仿真但那是后话实战中先用几何法缩小范围再决定要不要上仿真。说回开头的案例。我用上述方法算出来L约等于0.4mm而那颗sensor的盖板玻璃厚度是0.5mm折射率1.5等效光学厚度0.33mm加上微透镜层到感光面的距离约0.05mm合计0.38mm和计算值吻合。所以确定是sensor盖板玻璃内侧的IR截止膜反射。但为什么换了sensor就好了因为那颗sensor的IR截止膜镀膜工艺有缺陷反射率比规格高了三个百分点。正常sensor的IR截止膜反射率在1%以下那颗不良品到了4%反射能量足够形成可见鬼像。这个案例给我们的教训是鬼像排查不能只盯着镜头sensor侧的反射同样致命。而且sensor侧的反射往往更隐蔽因为它的反射面离感光面太近鬼像和主像几乎重合看起来像是一个模糊的光晕而不是清晰的鬼影。再补充一个实战技巧用偏振片辅助判断。在镜头前加一个线偏振片旋转偏振方向观察鬼像亮度变化。如果鬼像亮度随偏振方向显著变化说明反射面是光滑表面比如IR截止膜或盖板玻璃因为光滑表面的反射光有偏振特性如果鬼像亮度不随偏振变化说明反射面是粗糙表面或微透镜阵列的漫反射。这个技巧在产线上快速筛选时很管用。最后说说怎么从设计端预防。第一IR截止膜尽量镀在镜头最后一片镜片的后表面而不是sensor盖板玻璃上。这样反射面离感光面远鬼像弥散大不容易被察觉。第二如果必须把IR截止膜放在sensor侧那要严格控制反射率在0.5%以下并且镀膜时要监控膜层的应力防止膜层龟裂导致散射。第三微透镜阵列的沟槽深度和周期要优化让二次反射光尽量偏离成像光路。这个可以用光学仿真软件扫参但别盲目扫先用手算确定大致方向。写到这里想起一个老工程师跟我说过的话鬼像问题七分靠设计三分靠调试。设计阶段把反射路径都画一遍把反射率指标卡死产线上能省掉一半的麻烦。调试阶段遇到鬼像先别急着改镜头花十分钟算一下反射面位置比盲目换料快得多。这篇就到这里。下一章准备写sensor暗电流的温度特性那个也是个大坑产线上冬天和夏天的暗电流能差一倍不处理好夜景模式全是噪点。到时候再细聊。
