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Was ist Streulicht?
Definition von Streulicht
Streulicht ist unerwünschte elektromagnetische Strahlung, die die beabsichtigten Funktionen eines optischen Systems beeinträchtigt. Unerwünschtes Streulicht kann sowohl in Bildgebungs- als auch in Projektionssystemen auftreten, wobei die Kontrolle von Bildgebungssystemen in der Regel kritischer ist. Streulicht kann vom erfassten Objekt selbst, von unbeabsichtigten externen Strahlern oder – im Falle von infrarotempfindlichen Systemen – von Systemkomponenten stammen, die aufgrund ihrer Eigenwärme Licht abgeben.
Beispiele für Streulicht sind:
- Lichtreflexionen an mechanischen Montageflächen innerhalb des optischen Systems
- Licht dringt durch einen Spalt im Systemgehäuse
- Lichtstreuung an Staub und anderen Unreinheiten auf den optischen Oberflächen des Systems
- Himmelsaufhellung, die durch die Reflexion städtischer Beleuchtung an der Atmosphäre verursacht wird und die bodengebundene Astronomie beeinträchtigt
- Sonne, Erde und Mond können die umlaufenden Teleskope beeinflussen.
Inhaltsübersicht
Zwei Arten von Streulicht
Streulicht kann in zwei unterschiedliche Arten unterteilt werden: Geisterlicht und Blendung oder Schleierlicht.
Geisterbilder entstehen in Bildgebungssystemen, wenn Licht von einer Quelle im Bildfeld zwei oder mehr unerwünschte Reflexionen erfährt und dann auf den Bildsensor trifft, wodurch ein unerwünschtes Geisterbild entsteht. Bei Digitalkameras ist eine der häufigsten Ursachen für Geisterbilder Licht, das vom Bildsensor zurück in das optische System und anschließend von einer Linsenoberfläche reflektiert wird, wodurch ein zweites Bild entsteht.
Streulicht, auch Schleierblendung genannt, entsteht im Allgemeinen, wenn Licht innerhalb des optischen Systems an Unregelmäßigkeiten der optischen Oberflächen oder an mechanischen Elementen gestreut wird. Auch atmosphärische Lichtreflexionen, wie sie beispielsweise bei Dunst oder Himmelsaufhellung auftreten, können Streulicht verursachen.
- Entstehen durch unbeabsichtigte Reflexionen zwischen abbildenden Oberflächen
- Ergebnis höherer oder nicht blockierter Beugungsordnungen, die durch Gitter erzeugt werden
- Formgebung durch sekundäre Abbildung heller Streuoberflächen
Blendung oder Schleierreflexion:
- Geben Sie das Bild von Quellen außerhalb des Sichtfelds des optischen Systems ein.
- Sie stammen von hellen Quellen innerhalb des Sichtfelds oder von der Wärmestrahlung warmer Oberflächen.
- Sie treten auf, wenn Licht innerhalb des optischen Systems gestreut wird.
Abbildung 1. Beispiel eines Geisterbildes: Foto, aufgenommen mit einer Handykamera, das deutlich drei scharf fokussierte Geisterbilder der Kerzenflammen zeigt. Zusätzlich ist ein viertes, ausgedehntes Geisterbild zu sehen, das auf dem mittleren scharfen Geisterbild zentriert ist.
Warum ist es wichtig, Streulicht in einem Design zu finden?
Streulicht kann den Kontrast eines Bildes verringern, indem es unerwünschtes Licht hinzufügt. Zum Beispiel kann Streulicht:
- Die Empfindlichkeit von Detektionssystemen verringern.
- Unansehnliche Bilder in kommerziellen Bildgebungssystemen erzeugen.
- Verursacht unerwünschte helle Flecken im Strahlmuster von Lichtprojektionssystemen.
Wie hilft Software bei der Suche nach Streulicht?
Streulicht kann den Kontrast eines Bildes verringern, indem es unerwünschtes Licht hinzufügt. Zum Beispiel kann Streulicht:
- Die Empfindlichkeit von Detektionssystemen verringern.
- Unansehnliche Bilder in kommerziellen Bildgebungssystemen erzeugen.
- Verursacht unerwünschte helle Flecken im Strahlmuster von Lichtprojektionssystemen.
Abbildung 2. Beispiel für ein Geisterbild: Sequenzieller Strahlengang eines einzelnen Geisterbildes. Das Licht eines Objekts im Sichtfeld durchdringt die Linse und erzeugt ein Bild auf dem Detektor rechts. Ein Teil des Lichts wird vom Detektor zurück in die Linse reflektiert. Eine der Linsenoberflächen reflektiert das Licht dann an einer anderen Stelle zurück zum Detektor. Dieses Geisterbild ist interessant, da das Geisterlicht nahezu auf den Detektor fokussiert ist, was zu einem deutlich helleren Geisterbild führt, als wenn sich das Licht über eine größere Fläche verteilen würde.
Lichtreflexionen können über viele und oft unerwartete Wege in das optische System gelangen. Mithilfe von Monte-Carlo-Simulationen lassen sich die Beiträge dieser Prozesse untersuchen. Brute-Force-Methoden erzeugen zufällig viele Strahlen und analysieren deren Energieverteilung im Modell. Varianzreduktionsverfahren können effizient Beiträge von Pfaden mit unwahrscheinlichen Ereignissen wie Streuung unter großem Winkel identifizieren.
Abbildung 3. Beispiel für unbeabsichtigtes Licht: Licht von einem Objekt im Sichtfeld wird an der Linsenhalterung gestreut und dann von einer Linsenoberfläche zum Detektor reflektiert.
Computergestützte Ansätze zur Simulation von Streulicht
Die Analyse und Kontrolle von Streulicht, bestehend aus Geisterbildern und Reflexionen, ist eine wichtige, aber komplexe Aufgabe bei der Entwicklung von Bildgebungssystemen. Geisterbilder entstehen durch Mehrfachreflexionen an Oberflächen im primären optischen Strahlengang. Besonders problematisch sind Geisterbilder, die im oder nahe dem Fokus auf die Bildebene treffen. Reflexionen können durch Licht entstehen, das von Linsenfassungen, nicht-optischen Linsenoberflächen (wie Planflächen und Kanten) und dem Detektor selbst reflektiert und auf diesen zurückbildet. Beugung an der Mikrostruktur des Detektors kann die Modellierung des vom Detektor reflektierten Lichts zusätzlich erschweren.
Nutzung von Software zur Modellierung von Streulicht
Modellierung und Optimierung von Beleuchtungssystemdesigns
Die Beleuchtungsdesign-Software LightTools modelliert und optimiert Beleuchtungssysteme für die Planung von Allgemeinbeleuchtung, hintergrundbeleuchteten Displays, LEDs und Fahrzeuginnenbeleuchtung. LightTools bietet erweiterte Funktionen zur Streulichtanalyse, die die branchenführenden Designmöglichkeiten, die Zuverlässigkeit und die Genauigkeit der Software weiter verbessern.
Abbildung 4. Beispiel eines Ray History Sensors: Wiederherstellung der Strahlen des Kantenlichtdesigns mithilfe eines Oberflächensensors.
Modellierung und Simulation von Fahrzeugbeleuchtungsdesigns
Für die Modellierung des Designs und die Echtzeitsimulation der Front-, Rück- und Signalbeleuchtung von Kraftfahrzeugen bietet die LucidShape-Software einen kompletten Satz von Design-, Simulations- und Analysewerkzeugen.
Optische Systeme modellieren, analysieren und optimieren
CODE V ist eine CAD-Software zur Modellierung von Bildgebungs- und Freiraum-Telekommunikationssystemen. Sie dient der Modellierung, Analyse, Optimierung und Fertigungsunterstützung bei der Entwicklung optischer Systeme. Anwendungsgebiete sind unter anderem Luft- und Raumfahrt, Kameras, Informationsdisplays, Mikrolithografie und Photonik.
Szenenstreulicht und additive Streulichtquellen simulieren
ImSym unterstützt Sie dabei, die Auswirkungen von unerwünschtem Licht in Ihrem System zu verstehen und bietet ein vollständiges Modell Ihres Bildgebungssystems vor der Fertigung. Das Modell umfasst Linsen, Sensoren sowie Bild- und Signalprozessoren (ISPs) und ermöglicht die Visualisierung von Bildern mit präzisen, quantitativen Daten. Diese Funktionen optimieren den Entwicklungsprozess und beschleunigen die Markteinführung Ihres nächsten Bildgebungsprodukts.
Streulicht-Workflow
Hier ist ein typischer Arbeitsablauf für die Verwendung der Keysight-Software zur Analyse von Streulicht in einem Kamerasystem:
Streulicht modellieren und analysieren mit Keysight
Unser Portfolio im Bereich optisches Design bietet verschiedene Softwareoptionen zur Modellierung und Analyse von Streulicht. Die Wahl der passenden Software hängt von Ihrer Anwendung ab, und unsere Produkte ermöglichen Co-Simulationen.
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