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Image Simulation 中具有一些特殊选项,其之间有什么对应关系?

  • 29 July 2022
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在 Image Simulation 功能中,具有一些特殊的设置选项,例如 Oversample、Guard Band、PSF 的采样率设置等等,这些选项背后的具体意义是什么?以及这些选项之间有什么样的联系呢?多谢!

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Best answer by Haosheng.Hu 29 July 2022, 06:05

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1. 关于 Oversampling 的解释,在我们的帮助手册中有以下说明:
Oversampling:通过将一个像素复制成 2 个、4 个或更多相同的相邻像素,增加光源位图的像素分辨率。 此功能旨在增加每个视场单位的像素数。只要任何方向的最大像素数目不超过 16,000,每次就以 2 为因子应用过采样,直至达到指定过采样。此极值仅适用于过采样功能,不适用于输入文件。 过采样会在考虑系统的光学效应之前执行。
所以,当执行 Oversampling 的时候,将自动针对当前输入的源图像扩展其分辨率。当使用 PSF Grid 作为查看标准时也是一样,将使用更高像素分辨的情况展示 PSF 结果。
 
2. 关于 Field Height 与 Oversampling 的关系,在帮助手册中也有如下解释:
Field Height:此值定义视场坐标中光源位图 y 轴的全高,它可以使用镜头单位或以度数为单位, 具体取决于当前的视场定义(分别为高度或角度)。如果视场类型为“实际像高”,则视场类型会 为此分析自动更改为“近轴像高”。这样可避免在像面上实际像高掩盖图像畸变的问题。在应用 过采样、安全宽度或旋转后,将视场高度应用于结果位图。
如上,视场的高度将在 Oversampling 完成之后再应用至结果图像上,意味着此时对于具有相同分辨率的图像而言,具有更小的 Field Height 以及更高的 Oversampling 将具有更精细的结果图像分辨率。
 
3. 类似于 Field Height 以及 Oversample,Guard Band 的作用也是为了增强源图像的分辨率:
Guard Band:此功能通过重复倍增像素数,增加光源位图的像素分辨率。此倍增仅影响分析, 而原始位图文件保持不变。此功能会使原始图像周围产生黑色的“安全宽度”。此功能旨在增加每个视场单位的像素数,同时在所需图像周围增加一个区域。如果点扩散函数与光源位图视场尺寸相比较大,则此功能特别有用。只要任何方向的最大像素数目不超过 16,000,每次就以 2 为因子 应用安全宽度,直至达到指定大小。此极值仅适用于安全宽度功能,不适用于输入文件。对光源位图应用安全宽度应在考虑系统的任何光学效应之前。
 
因此,Guard Band 和 Oversampling 的使用和提升可以直接在图像模拟开始之前为源图像提升其分辨率,便于后续进行更加精细的分析。没有具体的经验值可以提供,需要根据图像模拟的结果按照需求设置。
Field Height 则需要根据系统实际想要成像的物高尺寸或者视场定义尺寸进行定义,表明源图像在 Y 方向上的尺寸高度。
至于 PSF 中的具体采样率设置,实际上使用和遵循的就是 Huygens PSF 中的采样设置,因为图像模拟本质上使用的就是 Huygens PSF 网格进行卷积计算。其中 PSF 网格点在 XY 方向上的个数,即定义了用于卷积计算的网格密度。如果使用更高的采样率和网格密度进行模拟,可以得到更加精确的模拟结果,但是计算速度也会因此增加。关于 PSF 网格的计算以及卷积的计算,您可以参考帮助手册中如下章节的 Discussion 部分获取更多信息:
The Analyze Tab (sequential ui mode) > Image Quality Group > Extended Scene Analysis > Image Simulation
 
此外,关于图像模拟的更多使用详细说明,建议您参考如下的知识库文章:
How to simulate high resolution images – Knowledgebase (zemax.com)
 
4. 以下为 Huygens PSF 中采样率定义的说明:
光瞳采样:选择要追迹的光线网格的尺寸以执行计算。更高的采样密度可得出更准确的结果,但要以更长的计算时间为代价。 
像面采样:在像面上计算衍射像强度的点网格的尺寸。此数字连同像面采样间距共同确定了所显示区域的大小
像面采样间距:像面网格中格点之间的距离(以微米为单位)。输入零表示使用默认网格间隔。
 
综上,实际上像面最终 PSF 结果的显示尺寸将根据像面采样和像面采样间距共同决定,使用更高的采样将得到更精确的像面衍射强度分布情况,但是结合采样间距所显示的最终结果尺度会有所不同。
类似这样的采样率设置,我们都没有具体的推荐值可以进行设置,因为更高的采样率将引起更长的计算时间和更加精确的结果。建议从低往高进行设置,当再次升高采样率之后没有观察到 PSF 结果发生明确变化的时候,则表示当前采样率对于系统而言已经足够高。

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