030、雜光鬼像的根因排查——不是所有flare都來自鏡頭——從IR截止膜反射到sensor表面微透鏡的二次反射——用光路追跡定位鬼像來源的實戰方法上個月在產線上拿到一顆夜視模組客戶反饋在強逆光場景下畫面中央偏右出現一個淡青色的圓形光斑位置不隨鏡頭光圈變化但會隨視場角輕微漂移。第一反應是鏡頭鍍膜出了問題換了同批次三顆鏡頭光斑紋絲不動。又懷疑是IR截止濾光片裝歪了重新校準后依然存在。最后把sensor換掉光斑消失了——問題出在sensor本身不是鏡頭。這個案例讓我想起很多工程師一看到flare就條件反射地往鏡頭方向查但鬼像的根因遠不止鏡頭鍍膜這一條路。今天就把這類問題的排查思路和光路追跡方法完整拆開講。先明確一個概念我們常說的flare在光學上分兩大類。一類是鏡頭內部鏡片表面的反射鬼像通常表現為對稱的、隨光圈變化的亮斑或光暈另一類是sensor側引起的二次反射包括IR截止膜反射、微透鏡陣列的溝槽反射、甚至sensor表面鈍化層的薄膜干涉。后者往往被忽略因為它在成像面上呈現的形態和鏡頭鬼像很像但物理機制完全不同。怎么區分一個簡單粗暴的判據改變鏡頭光圈如果鬼像的亮度、大小、位置都不變那大概率不是鏡頭內部反射。鏡頭鬼像的強度與光圈面積成正比光圈收小兩檔鬼像亮度應該明顯下降。如果光圈變化對鬼像毫無影響那就要把注意力轉向sensor側。再一個判據鬼像的顏色。鏡頭鍍膜的反射鬼像通常帶鍍膜的特征色比如綠色或紫色因為多層膜的反射率隨波長振蕩。而IR截止膜反射的鬼像往往是淡青色或淡藍色因為IR截止膜在可見光波段有陡峭的透過率邊緣反射光在短波端增強。如果看到淡青色鬼像優先懷疑IR截止膜。但這里有個坑sensor表面的微透鏡二次反射鬼像顏色也可能是淡青色因為微透鏡材料通常是硅基樹脂的折射率色散會讓短波光更容易在微透鏡表面發生全反射。所以顏色只能作為輔助判據不能作為唯一依據。真正靠譜的定位方法是光路追跡。別急著上Zemax或Code V先用幾何光學的簡化模型手算一遍把可能的鬼像路徑畫出來。我習慣的做法是三步走。第一步確認鬼像的成像位置。在暗室中用點光源比如激光筆打在白墻上的光點照射鏡頭記錄鬼像在畫面中的坐標。注意要分別記錄水平方向和垂直方向的偏移量因為鬼像的偏移方向能直接反映反射面的傾斜方向。第二步構建簡化光路。把鏡頭等效成一個薄透鏡焦距已知。sensor表面假設為平面反射鏡對于IR截止膜反射或周期性微透鏡陣列對于微透鏡二次反射。從物方點光源出發光線經過鏡頭折射后到達sensor表面反射后再經過鏡頭回到像方。用矩陣光學的方法把這條路徑的等效焦距和偏移量算出來。這里有個關鍵參數sensor表面到鏡頭后焦面的距離。如果IR截止膜貼在sensor蓋板玻璃的內側那反射面到sensor感光面的距離就是蓋板玻璃的厚度除以折射率約0.7倍物理厚度。如果IR截止膜是獨立鏡片那距離就是膜片到sensor感光面的空氣間隔。這個距離直接決定了鬼像的彌散程度——距離越大鬼像越模糊距離越小鬼像越銳利。如果鬼像邊緣清晰銳利說明反射面離感光面很近大概率是sensor表面的微透鏡或鈍化層反射如果鬼像邊緣柔和模糊說明反射面離感光面較遠IR截止膜或蓋板玻璃內表面的嫌疑更大。第三步用追跡結果反推反射面位置。假設鬼像在畫面中的偏移量為d鏡頭焦距為f物方點光源在視場角θ處那么反射面到感光面的等效距離L可以通過公式L d / (2 * tan(θ))估算。注意這里的θ是點光源對應的半視場角不是全視場角。算出來L之后和蓋板玻璃厚度、IR截止膜空氣間隔等已知參數對比就能鎖定反射面。我拿這個公式套過很多案例準確率在八成以上。剩下兩成失敗的情況基本都是因為微透鏡陣列的二次反射不是簡單的平面反射而是有衍射效應的。微透鏡的周期在幾微米量級對可見光來說已經接近衍射極限所以鬼像會出現色散和干涉條紋。這時候幾何光學就不夠用了得用波動光學仿真但那是后話實戰中先用幾何法縮小范圍再決定要不要上仿真。說回開頭的案例。我用上述方法算出來L約等于0.4mm而那顆sensor的蓋板玻璃厚度是0.5mm折射率1.5等效光學厚度0.33mm加上微透鏡層到感光面的距離約0.05mm合計0.38mm和計算值吻合。所以確定是sensor蓋板玻璃內側的IR截止膜反射。但為什么換了sensor就好了因為那顆sensor的IR截止膜鍍膜工藝有缺陷反射率比規格高了三個百分點。正常sensor的IR截止膜反射率在1%以下那顆不良品到了4%反射能量足夠形成可見鬼像。這個案例給我們的教訓是鬼像排查不能只盯著鏡頭sensor側的反射同樣致命。而且sensor側的反射往往更隱蔽因為它的反射面離感光面太近鬼像和主像幾乎重合看起來像是一個模糊的光暈而不是清晰的鬼影。再補充一個實戰技巧用偏振片輔助判斷。在鏡頭前加一個線偏振片旋轉偏振方向觀察鬼像亮度變化。如果鬼像亮度隨偏振方向顯著變化說明反射面是光滑表面比如IR截止膜或蓋板玻璃因為光滑表面的反射光有偏振特性如果鬼像亮度不隨偏振變化說明反射面是粗糙表面或微透鏡陣列的漫反射。這個技巧在產線上快速篩選時很管用。最后說說怎么從設計端預防。第一IR截止膜盡量鍍在鏡頭最后一片鏡片的后表面而不是sensor蓋板玻璃上。這樣反射面離感光面遠鬼像彌散大不容易被察覺。第二如果必須把IR截止膜放在sensor側那要嚴格控制反射率在0.5%以下并且鍍膜時要監控膜層的應力防止膜層龜裂導致散射。第三微透鏡陣列的溝槽深度和周期要優化讓二次反射光盡量偏離成像光路。這個可以用光學仿真軟件掃參但別盲目掃先用手算確定大致方向。寫到這里想起一個老工程師跟我說過的話鬼像問題七分靠設計三分靠調試。設計階段把反射路徑都畫一遍把反射率指標卡死產線上能省掉一半的麻煩。調試階段遇到鬼像先別急著改鏡頭花十分鐘算一下反射面位置比盲目換料快得多。這篇就到這里。下一章準備寫sensor暗電流的溫度特性那個也是個大坑產線上冬天和夏天的暗電流能差一倍不處理好夜景模式全是噪點。到時候再細聊。 030、雜光鬼像的根因排查——不是所有flare都來自鏡頭——從IR截止膜反射到sensor表面微透鏡的二次反射——用光路追跡定位鬼像來源的實戰方法
030、雜光鬼像的根因排查——不是所有flare都來自鏡頭——從IR截止膜反射到sensor表面微透鏡的二次反射——用光路追跡定位鬼像來源的實戰方法上個月在產線上拿到一顆夜視模組客戶反饋在強逆光場景下畫面中央偏右出現一個淡青色的圓形光斑位置不隨鏡頭光圈變化但會隨視場角輕微漂移。第一反應是鏡頭鍍膜出了問題換了同批次三顆鏡頭光斑紋絲不動。又懷疑是IR截止濾光片裝歪了重新校準后依然存在。最后把sensor換掉光斑消失了——問題出在sensor本身不是鏡頭。這個案例讓我想起很多工程師一看到flare就條件反射地往鏡頭方向查但鬼像的根因遠不止鏡頭鍍膜這一條路。今天就把這類問題的排查思路和光路追跡方法完整拆開講。先明確一個概念我們常說的flare在光學上分兩大類。一類是鏡頭內部鏡片表面的反射鬼像通常表現為對稱的、隨光圈變化的亮斑或光暈另一類是sensor側引起的二次反射包括IR截止膜反射、微透鏡陣列的溝槽反射、甚至sensor表面鈍化層的薄膜干涉。后者往往被忽略因為它在成像面上呈現的形態和鏡頭鬼像很像但物理機制完全不同。怎么區分一個簡單粗暴的判據改變鏡頭光圈如果鬼像的亮度、大小、位置都不變那大概率不是鏡頭內部反射。鏡頭鬼像的強度與光圈面積成正比光圈收小兩檔鬼像亮度應該明顯下降。如果光圈變化對鬼像毫無影響那就要把注意力轉向sensor側。再一個判據鬼像的顏色。鏡頭鍍膜的反射鬼像通常帶鍍膜的特征色比如綠色或紫色因為多層膜的反射率隨波長振蕩。而IR截止膜反射的鬼像往往是淡青色或淡藍色因為IR截止膜在可見光波段有陡峭的透過率邊緣反射光在短波端增強。如果看到淡青色鬼像優先懷疑IR截止膜。但這里有個坑sensor表面的微透鏡二次反射鬼像顏色也可能是淡青色因為微透鏡材料通常是硅基樹脂的折射率色散會讓短波光更容易在微透鏡表面發生全反射。所以顏色只能作為輔助判據不能作為唯一依據。真正靠譜的定位方法是光路追跡。別急著上Zemax或Code V先用幾何光學的簡化模型手算一遍把可能的鬼像路徑畫出來。我習慣的做法是三步走。第一步確認鬼像的成像位置。在暗室中用點光源比如激光筆打在白墻上的光點照射鏡頭記錄鬼像在畫面中的坐標。注意要分別記錄水平方向和垂直方向的偏移量因為鬼像的偏移方向能直接反映反射面的傾斜方向。第二步構建簡化光路。把鏡頭等效成一個薄透鏡焦距已知。sensor表面假設為平面反射鏡對于IR截止膜反射或周期性微透鏡陣列對于微透鏡二次反射。從物方點光源出發光線經過鏡頭折射后到達sensor表面反射后再經過鏡頭回到像方。用矩陣光學的方法把這條路徑的等效焦距和偏移量算出來。這里有個關鍵參數sensor表面到鏡頭后焦面的距離。如果IR截止膜貼在sensor蓋板玻璃的內側那反射面到sensor感光面的距離就是蓋板玻璃的厚度除以折射率約0.7倍物理厚度。如果IR截止膜是獨立鏡片那距離就是膜片到sensor感光面的空氣間隔。這個距離直接決定了鬼像的彌散程度——距離越大鬼像越模糊距離越小鬼像越銳利。如果鬼像邊緣清晰銳利說明反射面離感光面很近大概率是sensor表面的微透鏡或鈍化層反射如果鬼像邊緣柔和模糊說明反射面離感光面較遠IR截止膜或蓋板玻璃內表面的嫌疑更大。第三步用追跡結果反推反射面位置。假設鬼像在畫面中的偏移量為d鏡頭焦距為f物方點光源在視場角θ處那么反射面到感光面的等效距離L可以通過公式L d / (2 * tan(θ))估算。注意這里的θ是點光源對應的半視場角不是全視場角。算出來L之后和蓋板玻璃厚度、IR截止膜空氣間隔等已知參數對比就能鎖定反射面。我拿這個公式套過很多案例準確率在八成以上。剩下兩成失敗的情況基本都是因為微透鏡陣列的二次反射不是簡單的平面反射而是有衍射效應的。微透鏡的周期在幾微米量級對可見光來說已經接近衍射極限所以鬼像會出現色散和干涉條紋。這時候幾何光學就不夠用了得用波動光學仿真但那是后話實戰中先用幾何法縮小范圍再決定要不要上仿真。說回開頭的案例。我用上述方法算出來L約等于0.4mm而那顆sensor的蓋板玻璃厚度是0.5mm折射率1.5等效光學厚度0.33mm加上微透鏡層到感光面的距離約0.05mm合計0.38mm和計算值吻合。所以確定是sensor蓋板玻璃內側的IR截止膜反射。但為什么換了sensor就好了因為那顆sensor的IR截止膜鍍膜工藝有缺陷反射率比規格高了三個百分點。正常sensor的IR截止膜反射率在1%以下那顆不良品到了4%反射能量足夠形成可見鬼像。這個案例給我們的教訓是鬼像排查不能只盯著鏡頭sensor側的反射同樣致命。而且sensor側的反射往往更隱蔽因為它的反射面離感光面太近鬼像和主像幾乎重合看起來像是一個模糊的光暈而不是清晰的鬼影。再補充一個實戰技巧用偏振片輔助判斷。在鏡頭前加一個線偏振片旋轉偏振方向觀察鬼像亮度變化。如果鬼像亮度隨偏振方向顯著變化說明反射面是光滑表面比如IR截止膜或蓋板玻璃因為光滑表面的反射光有偏振特性如果鬼像亮度不隨偏振變化說明反射面是粗糙表面或微透鏡陣列的漫反射。這個技巧在產線上快速篩選時很管用。最后說說怎么從設計端預防。第一IR截止膜盡量鍍在鏡頭最后一片鏡片的后表面而不是sensor蓋板玻璃上。這樣反射面離感光面遠鬼像彌散大不容易被察覺。第二如果必須把IR截止膜放在sensor側那要嚴格控制反射率在0.5%以下并且鍍膜時要監控膜層的應力防止膜層龜裂導致散射。第三微透鏡陣列的溝槽深度和周期要優化讓二次反射光盡量偏離成像光路。這個可以用光學仿真軟件掃參但別盲目掃先用手算確定大致方向。寫到這里想起一個老工程師跟我說過的話鬼像問題七分靠設計三分靠調試。設計階段把反射路徑都畫一遍把反射率指標卡死產線上能省掉一半的麻煩。調試階段遇到鬼像先別急著改鏡頭花十分鐘算一下反射面位置比盲目換料快得多。這篇就到這里。下一章準備寫sensor暗電流的溫度特性那個也是個大坑產線上冬天和夏天的暗電流能差一倍不處理好夜景模式全是噪點。到時候再細聊。