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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：