背景：

从汽车到消费电子产品，各个行业对高质量成像系统的需求都至关重要。在关键部件中，相机传感器是现代消费电子产品和成像设备中的重要元件。了解和验证相机传感器在 3D 场景中的性能对于优化图像质量和最佳视场覆盖率至关重要。在本文中，我们使用 Ansys Speos生成相机图像，并探讨了其在真实场景中的相机应用。

要在 Speos 中模拟相机的行为，可以创建包含相机完整光学系统的模拟，也可以使用镜头系统的降阶模型 （ROM） 创建相机模拟。当您需要全面访问和比较光学系统的性能（包括镜头眩光和杂散光等方面）时，通常会选择完整的镜头系统，但由于要考虑所有光路，因此通常需要更长的仿真时间。但是，使用 ROM 模拟相机可以快速访问和比较光学系统性能。ROM 通过预先计算透镜系统的光学行为一次，同时专注于光路的主序列来实现这种效率。 在此产品中，我们应用了远心镜头，它依据其独特的光学特性：高分辨率、超宽景深、超低畸变以及独有的平行光设计等为对镜头畸变要求很高的机器视觉应用，给机器视觉精密检测带来质提升。

远心镜头介绍：

远心镜头的原理是通过在光路中设置一个孔径光阑，并将其放置在镜头的物方焦平面或像方焦平面上，使得只有平行于光轴的主光线能够通过并最终成像。主要类型有三种：

1-物方远心镜头：它是将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上，物方主光线平行于光轴主光线的会聚中心位于物方无限远。这种镜头的特点是在合理的活动范围内，物体的放大倍率与物距无关。即使物距发生改变，像高也并不会发生改变，即测得的物体尺寸不会变化。其作用为：可以消除物方由于调焦不准确带来的读数误差。

2-像方远心镜头：它是将孔径光阑放置在物方焦平面上，像方主光线平行于光轴主光线的会聚中心位于像方无穷远。这种镜头的特点是放大倍率与像距无关，其作用为：可以消除像方调焦不准引入的测量误差。

3-双远心镜头：双远心镜头则兼顾了物方和像方远心镜头的优点，镜头在物体和图像空间中都具有远心性，无论物体、图像传感器与镜头的位置如何变化，其放大倍率都是恒定的，属于无焦镜头。双远心镜头主要针对非常低的图像失真和场曲进行优化，便于在整个视野范围内进行精确测量，该镜头元件较多，价格也相对较高。主要用于视觉测量检测领域。

远心镜头的优点：

1) 放大倍率：无视差，倍率恒定，可实现精准可靠的测量；

2) 景深：较大的景深，对物体位置容差更大且安装灵活；

3) 图像质量：极高分辨率以及极小畸变质量，保证能检测产品细微缺陷；

4) 照明：提供最佳对比度以及均匀性结果。

应用场景：机械臂生产线检测中的远心镜头：

-动态抓取定位：

在机械臂抓取不规则或精密工件（如齿轮、电子接插件）时，通过平行光路成像确保目标轮廓的几何尺寸精确还原。即使机械臂末端执行器与工件距离存在±5mm的浮动，镜头仍能输出稳定的图像比例，配合视觉系统实时校正坐标偏差，定位精度可达±0.02mm。

-多工件同步检测：

针对传送带上密集排列的零部件（如轴承、螺钉），双远心镜头的大景深（可达10-20mm）能够同时清晰成像不同高度的工件，避免传统镜头因景深不足导致的边缘模糊问题。结合高帧率相机可高速完成批量工件尺寸合规性检测（如直径、螺距），检测效率提升30%以上。

-表面缺陷智能分拣：

针对金属冲压件或注塑件的划痕、毛刺检测，双远心镜头结合环形光源可凸显表面微观纹理。其均匀的光场分布与低畸变成像特性，使AI算法更易识别缺陷特征，减少因光学干扰导致的误判。在汽车零部件生产线中，该系统可实现每分钟200件以上的实时分拣，缺陷漏检率低于0.01%。

联合zemax及speos光学仿真工作流：

1) Step1：使用Zemax OpticStudio 设计远心镜头模组，设计 ROM 集成到 Speos 相机定义中，并在更广泛的模型环境中复制相机镜头的效果，Speos 使用了带有 OPTDistortion的文件。OPTDistortion ，降阶模型ROM 可以从数据表 （V1） 中的临界光线角 （CRA） 数据中提取，或者为了提高精度，可以直接从 Zemax OpticStudio（二进制版）中设计的镜头系统中提取。Zemax OpticStudio 提供了一个专用的“将降阶模型导出到 Speos”工具，提取的数据包含了传感器的宽度及高度、使用径向对称、X和Y传感器采样以及光线采样等数据。

Lens ROM 在OPTDistortion 文件（二进制版本）包含的信息可确保准确保证 FOV、畸变、景深、分辨率、入瞳位置、晕影、动态（卷帘快门、运动模糊）、色差。因此，只要只考虑主序列，使用这些ROM模型进行的仿真结果与直接在CAD镜头模型上执行的结果没有显着差异，保证仿真准确性。

2) Step2：通过将zemax导出的ROM数据导入到speos camera sensor中，定义传感器和灵敏度参数：浏览传感器灵敏度参数，定义每个通道的总体灵敏度。这包括传感器像素灵敏度和彩色滤光片阵列（拜耳滤光片）以及调整波长带宽参数。

3) 提供光度相机仿真的输出是辐照度图，仿真计算完成后，该图在仿真下方可见：

另外Speos 相机传感器允许用户根据关键相机参数快速生成相机从 3D 场景中捕获的光量。用户可以评估不同行业中各种传感器类型（可见光、波波红外、MWIR、长波红外、热成像等）的性能。此外，用户还可以探索相机动态，包括相机或场景中物体移动时的卷帘快门和运动模糊效果，以及相机感知到的光源调制引起的闪烁效果。

总结：

基于以上案例，可充分体现Ansys Speos的 Camera Sensor功能在机器视觉检测场景有着重要作用，Ansys 联合Zemax与Speos的协同仿真应用,为工业视觉系统提供了从光学设计到场景验证的一体化解决方案。通过模拟真实物理环境和视觉感知，帮助工程师理解和提升对产品表面缺陷的检测能力。也对未来工业自动化方向缺陷检测提供价值。