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(shí)戰(zhàn)方法上個(gè)月在產(chǎn)線上拿到一顆夜視模組客戶反饋在強(qiáng)逆光場(chǎng)景下畫面中央偏右出現(xiàn)一個(gè)淡青色的圓形光斑位置不隨鏡頭光圈變化但會(huì)隨視場(chǎng)角輕微漂移。第一反應(yīng)是鏡頭鍍膜出了問題換了同批次三顆鏡頭光斑紋絲不動(dòng)。又懷疑是IR截止濾光片裝歪了重新校準(zhǔn)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(gè)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(yuǎn)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(gè)概念我們常說的flare在光學(xué)上分兩大類。一類是鏡頭內(nèi)部鏡片表面的反射鬼像通常表現(xiàn)為對(duì)稱的、隨光圈變化的亮斑或光暈另一類是sensor側(cè)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?yàn)樗诔上衩嫔铣尸F(xiàn)的形態(tài)和鏡頭鬼像很像但物理機(jī)制完全不同。怎么區(qū)分一個(gè)簡(jiǎn)單粗暴的判據(jù)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(nèi)部反射。鏡頭鬼像的強(qiáng)度與光圈面積成正比光圈收小兩檔鬼像亮度應(yīng)該明顯下降。如果光圈變化對(duì)鬼像毫無影響那就要把注意力轉(zhuǎn)向sensor側(cè)。再一個(gè)判據(jù)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?yàn)槎鄬幽さ姆瓷渎孰S波長(zhǎng)振蕩。而IR截止膜反射的鬼像往往是淡青色或淡藍(lán)色因?yàn)镮R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(qiáng)。如果看到淡青色鬼像優(yōu)先懷疑IR截止膜。但這里有個(gè)坑sensor表面的微透鏡二次反射鬼像顏色也可能是淡青色因?yàn)槲⑼哥R材料通常是硅基樹脂的折射率色散會(huì)讓短波光更容易在微透鏡表面發(fā)生全反射。所以顏色只能作為輔助判據(jù)不能作為唯一依據(jù)。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(xué)的簡(jiǎn)化模型手算一遍把可能的鬼像路徑畫出來。我習(xí)慣的做法是三步走。第一步確認(rèn)鬼像的成像位置。在暗室中用點(diǎn)光源比如激光筆打在白墻上的光點(diǎn)照射鏡頭記錄鬼像在畫面中的坐標(biāo)。注意要分別記錄水平方向和垂直方向的偏移量因?yàn)楣硐竦钠品较蚰苤苯臃从撤瓷涿娴膬A斜方向。第二步構(gòu)建簡(jiǎn)化光路。把鏡頭等效成一個(gè)薄透鏡焦距已知。sensor表面假設(shè)為平面反射鏡對(duì)于IR截止膜反射或周期性微透鏡陣列對(duì)于微透鏡二次反射。從物方點(diǎn)光源出發(fā)光線經(jīng)過鏡頭折射后到達(dá)sensor表面反射后再經(jīng)過鏡頭回到像方。用矩陣光學(xué)的方法把這條路徑的等效焦距和偏移量算出來。這里有個(gè)關(guān)鍵參數(shù)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(nèi)側(cè)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(dú)立鏡片那距離就是膜片到sensor感光面的空氣間隔。這個(gè)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(yuǎn)IR截止膜或蓋板玻璃內(nèi)表面的嫌疑更大。第三步用追跡結(jié)果反推反射面位置。假設(shè)鬼像在畫面中的偏移量為d鏡頭焦距為f物方點(diǎn)光源在視場(chǎng)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(diǎn)光源對(duì)應(yīng)的半視場(chǎng)角不是全視場(chǎng)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(shù)對(duì)比就能鎖定反射面。我拿這個(gè)公式套過很多案例準(zhǔn)確率在八成以上。剩下兩成失敗的情況基本都是因?yàn)槲⑼哥R陣列的二次反射不是簡(jiǎn)單的平面反射而是有衍射效應(yīng)的。微透鏡的周期在幾微米量級(jí)對(duì)可見光來說已經(jīng)接近衍射極限所以鬼像會(huì)出現(xiàn)色散和干涉條紋。這時(shí)候幾何光學(xué)就不夠用了得用波動(dòng)光學(xué)仿真但那是后話實(shí)戰(zhàn)中先用幾何法縮小范圍再?zèng)Q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(xué)厚度0.33mm加上微透鏡層到感光面的距離約0.05mm合計(jì)0.38mm和計(jì)算值吻合。所以確定是sensor蓋板玻璃內(nèi)側(cè)的IR截止膜反射。但為什么換了sensor就好了因?yàn)槟穷wsensor的IR截止膜鍍膜工藝有缺陷反射率比規(guī)格高了三個(gè)百分點(diǎn)。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(gè)案例給我們的教訓(xùn)是鬼像排查不能只盯著鏡頭sensor側(cè)的反射同樣致命。而且sensor側(cè)的反射往往更隱蔽因?yàn)樗姆瓷涿骐x感光面太近鬼像和主像幾乎重合看起來像是一個(gè)模糊的光暈而不是清晰的鬼影。再補(bǔ)充一個(gè)實(shí)戰(zhàn)技巧用偏振片輔助判斷。在鏡頭前加一個(gè)線偏振片旋轉(zhuǎn)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?yàn)楣饣砻娴姆瓷涔庥衅裉匦匀绻硐窳炼炔浑S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(gè)技巧在產(chǎn)線上快速篩選時(shí)很管用。最后說說怎么從設(shè)計(jì)端預(yù)防。第一IR截止膜盡量鍍?cè)阽R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(yuǎn)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(cè)那要嚴(yán)格控制反射率在0.5%以下并且鍍膜時(shí)要監(jiān)控膜層的應(yīng)力防止膜層龜裂導(dǎo)致散射。第三微透鏡陣列的溝槽深度和周期要優(yōu)化讓二次反射光盡量偏離成像光路。這個(gè)可以用光學(xué)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(gè)老工程師跟我說過的話鬼像問題七分靠設(shè)計(jì)三分靠調(diào)試。設(shè)計(jì)階段把反射路徑都畫一遍把反射率指標(biāo)卡死產(chǎn)線上能省掉一半的麻煩。調(diào)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(zhǔn)備寫sensor暗電流的溫度特性那個(gè)也是個(gè)大坑產(chǎn)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(diǎn)。到時(shí)候再細(xì)聊。