Ansys Zemax | 使用 OpticStudio 進(jìn)行閃光激光雷達(dá)系統(tǒng)建模（上）

前言

在消費(fèi)類電子產(chǎn)品領(lǐng)域，工程師可利用激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)眾多功能，如面部識(shí)別和3D映射等。盡管激光雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛而且截然不同，但是 “閃光激光雷達(dá)” 解決方案通常都適用于在使用固態(tài)光學(xué)元件的目標(biāo)場(chǎng)景中生成可檢測(cè)的點(diǎn)陣列。憑借具有針對(duì)小型封裝結(jié)構(gòu)但可獲取三維空間數(shù)據(jù)方面的優(yōu)勢(shì)，固態(tài)激光雷達(dá)系統(tǒng)在智能手機(jī)和筆記本電腦等消費(fèi)類電子產(chǎn)品中日益普及。在這個(gè)系列的文章中，我們將探討如何使用OpticStudio對(duì)此類系統(tǒng)進(jìn)行建模，包括從序列初始設(shè)計(jì)到集成機(jī)械外殼的整個(gè)流程。該文章為閃光激光雷達(dá)系統(tǒng)建模系列文章的第一篇。

 
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簡(jiǎn)介
激光雷達(dá)系統(tǒng)在工業(yè)界中有著多種場(chǎng)景下的應(yīng)用，對(duì)應(yīng)于不同種類的激光雷達(dá)系統(tǒng)（比如用于掃描元件或確定視野的系統(tǒng)等），本示例將主要探索如何使用衍射光學(xué)元件來(lái)復(fù)制光源陣列在目標(biāo)場(chǎng)景中的投影。成像透鏡系統(tǒng)隨后可觀察到投影的光源陣列，以獲取投射光線的飛行時(shí)間信息，進(jìn)而生成投影點(diǎn)的深度信息。
在這篇文章中，我們將介紹用于閃光激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射和接收模塊的序列模式系統(tǒng)背景和特征。在后續(xù)的文章中，我們將介紹完整的系統(tǒng)建模和光機(jī)封裝。

 

閃光激光雷達(dá)的應(yīng)用
此類激光雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理主要依靠一組放置在光源陣列（如 VCSEL 陣列等）前方的準(zhǔn)直光學(xué)元件，這些準(zhǔn)直透鏡投射光源陣列的光線追跡至包含幾何實(shí)體或者動(dòng)態(tài)捕捉的場(chǎng)景中。在準(zhǔn)直透鏡后面放置的衍射光學(xué)元件將沿 X 方向、Y 方向和對(duì)角線方向創(chuàng)建該 VCSEL 陣列的多個(gè)投影（在本例中為 3x3 的網(wǎng)格）。

 

照明模塊將生成一個(gè)點(diǎn)陣列，將光線投影到目標(biāo)區(qū)域，隨后成像系統(tǒng)將觀察到照亮的區(qū)域，以檢測(cè)投影陣列并獲取場(chǎng)景的深度信息。

設(shè)想一下，我們探索的激光雷達(dá)系統(tǒng)可用于追跡現(xiàn)實(shí)世界的幾何結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)情況，以便疊加獲得在計(jì)算機(jī)中生成的圖像。此外，我們還可以將激光雷達(dá)用作 AR 頭戴設(shè)備模塊的一部分，其中用戶可以通過(guò)激光雷達(dá)模塊的觀察進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別并與 CGI 進(jìn)行交互。

對(duì)于照明的區(qū)域，我們的目標(biāo)區(qū)域是 1 米遠(yuǎn)（略大于一臂長(zhǎng)）之外的 480mm x 480mm（大約為 19 英寸 x 19 英寸）的區(qū)域。我們可以這樣想象，如果我們將該激光雷達(dá)系統(tǒng)瞄準(zhǔn)一張桌子或書(shū)桌，并想要追跡其表面的幾何結(jié)構(gòu)以及它上面的任何物品時(shí)，這樣的覆蓋區(qū)域十分合理。此外，我們還可以假設(shè)用戶將能夠與他們直接視線范圍內(nèi)的虛擬元件進(jìn)行交互。

 

照明系統(tǒng)
首先，我們來(lái)定義照明模塊的需求。由于照明區(qū)域可看做光源陣列區(qū)域的投影，因此非常關(guān)鍵的一點(diǎn)是確保我們的準(zhǔn)直光學(xué)元件與所使用的光源能夠相匹配。如果我們假設(shè)光源陣列的有效區(qū)域?yàn)?1.6mm x 1.6mm，那么我們可以確定透鏡所需的焦距為

 

 
為了在 OpticStudio 中定義模型，可以假設(shè)光源以 0.94 微米為波長(zhǎng)的發(fā)射 NA 為 0.2 的光束。透鏡經(jīng)過(guò)優(yōu)化可在視場(chǎng)上產(chǎn)生準(zhǔn)直輸出，以確保光源陣列區(qū)域的點(diǎn)能夠在目標(biāo)場(chǎng)景中具有合理的尺寸。鑒于閃光激光雷達(dá)系統(tǒng)的案例基礎(chǔ)，為了實(shí)現(xiàn)緊湊的、可批量生產(chǎn)的設(shè)計(jì)，選擇小尺寸的塑料材料也至關(guān)重要（對(duì)應(yīng)文件提供為 “FlashLidar_Emitter.ZAR”）。

 

目前，我們可以將每個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)的發(fā)射都看作為單個(gè)二極管的發(fā)射，其光線將被投影到所觀察的場(chǎng)景中。在這個(gè)階段，由于光束將在遠(yuǎn)場(chǎng)中被觀察到，并且這個(gè)系統(tǒng)主要受幾何像差的影響，因此我們可以將基于幾何光線的結(jié)果作為觀察場(chǎng)景中的光斑性能的良好指標(biāo)。然后，幾何圖像分析（Geometric Image Analysis）工具可用于可視化距離照明模塊大約一米遠(yuǎn)的光斑情況：

 

上面的每個(gè)幾何圖像分析窗口都顯示了點(diǎn)光源在 55mm x 55mm 的區(qū)域上，從物面到“場(chǎng)景”像面的傳播結(jié)果。非零衍射級(jí)次將在被觀察場(chǎng)景的中心階周圍向 X 和 Y 方向產(chǎn)生更多的光斑圖案，從而擴(kuò)展激光雷達(dá)系統(tǒng)的視場(chǎng)。

在這個(gè)模型中，我們將使用一對(duì)交叉的衍射光柵來(lái)創(chuàng)建額外的投影。因此，我們將需要計(jì)算線性光柵圖案所需的空間頻率，以確保一階衍射投影到的區(qū)域不會(huì)與零階衍射的相重疊：

 

所允許的最小衍射角 θd 是視場(chǎng)水平半視場(chǎng)的兩倍。當(dāng) fc = 10mm，物體高度為 0.8mm 時(shí)，零階的半視場(chǎng) θhoriz, 為4.57?，這可以幫助我們確定光柵刻線之間所需的距離 d（以微米為單位）：

由于 OpticStudio 中的原生衍射光柵表面將光柵的空間頻率作為設(shè)置參數(shù)，因此我們可以使用空間頻率 0.17 刻線/微米 來(lái)設(shè)置該光柵。我們可以在 OpticStudio 中對(duì)這個(gè)計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)在序列模式中添加衍射光柵表面，以查看它是否能夠?yàn)椴煌?jí)次之間提供足夠的距離：

 

為了檢查投影區(qū)域之間是否存在任何重疊（這可能會(huì)導(dǎo)致不同衍射級(jí)次之間的光點(diǎn)相互疊加），我們可以結(jié)合使用幾何圖像分析工具以及多重結(jié)構(gòu)編輯器進(jìn)行分析。我們可以定義兩種結(jié)構(gòu)，一種顯示中心階，而另一種顯示沿 X 軸的一階。經(jīng)過(guò)修改的“填充”版 “SQUARE.IMA”（在所有 OpticStudio 的安裝中提供）可用于演示光源有效區(qū)域在遠(yuǎn)場(chǎng)中的投影是否有任何潛在的重疊。根據(jù)當(dāng)前的空間頻率定義，我們可以看到有一些重疊存在：

 

為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們可以稍微增加衍射光柵表面的空間頻率，從而增大衍射角。當(dāng)快速編輯到 0.2 刻線/微米時(shí)，可以產(chǎn)生更清晰的分離：

在當(dāng)前階段，我們將把實(shí)例文件保存為 “FlashLidar_Emitter_DiffGrat.ZAR”。雖然這是二極管陣列將涵蓋的整體區(qū)域的輸出，但實(shí)際的照明模塊將使用一系列二極管作為點(diǎn)光源，因此照明圖案將成為一系列的點(diǎn)。GIA 檢查的目的是確保當(dāng)我們?cè)诜切蛄心Ｊ街懈苯拥囟x光源時(shí)，不同衍射級(jí)次之間的光點(diǎn)不會(huì)重疊。

 

成像系統(tǒng)
為了獲取照明投影中的深度信息，需要一個(gè)成像系統(tǒng)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行觀察，并通過(guò)計(jì)算每個(gè)光點(diǎn)的往返飛行時(shí)間，將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為深度數(shù)據(jù)。根據(jù)之前的計(jì)算，我們知道中心階的半水平和垂直視場(chǎng)大約是 4.57°。由于衍射元件各級(jí)次在該中心階周圍產(chǎn)生投影，這將使成像系統(tǒng)所需的視場(chǎng)在水平和垂直半視場(chǎng)上增加到約 9.14°(即約為中心階半視場(chǎng)值的兩倍)。所以，成像系統(tǒng)所需的半視場(chǎng)在水平和垂直方向上為 13.71°，或在對(duì)角線方向上約為 19.39°：

因此，成像模塊需要約為 20°的最小視場(chǎng)。同樣地，由于激光雷達(dá)系統(tǒng)的用例，使用具有小尺寸塑料元件進(jìn)行緊湊型設(shè)計(jì)至關(guān)重要。透鏡如下圖所示，作為示例文件 “FlashLidar_Receiver.ZAR”：

該透鏡的名義設(shè)計(jì)視場(chǎng)大于 20° (約為30°-36°)，以確保成像系統(tǒng)的優(yōu)化能夠產(chǎn)生物理上可實(shí)現(xiàn)的元件。例如，這有助于更好地控制非球面元件的邊緣厚度，并確保元件之間有安裝空隙。此外，透鏡的名義設(shè)計(jì)具有無(wú)限的物面距離，因?yàn)槠淇赡苄枰喾N工作距離進(jìn)行使用。

由于這種設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)緊湊的尺寸，成像系統(tǒng)必須平衡該標(biāo)準(zhǔn)與它對(duì)視場(chǎng)相關(guān)像差的影響，如畸變和場(chǎng)曲。該設(shè)計(jì)采用了類似于 Cooke 三片式透鏡的結(jié)構(gòu)，即在兩個(gè)低折射率的正透鏡之間有一個(gè)高折射率的負(fù)透鏡。所有元件上都具有非球面系數(shù)，允許通過(guò)第一個(gè)透鏡校正球差，而第三個(gè)透鏡可作為場(chǎng)鏡，以改善畸變和場(chǎng)曲的性能。此外，模型中最后還包含一個(gè)平板玻璃，該平板玻璃可作為覆蓋接收器模塊圖像傳感器的蓋板。

為了確保成像系統(tǒng)的性能符合我們的需求，我們可以查看 100 lp/mm 時(shí)的 FFT MTF 圖：

 

我們可以在 MTF 中觀察到系統(tǒng)接近衍射極限的光學(xué)性能。為了檢查，我們可以通過(guò)該系統(tǒng)計(jì)算成像到探測(cè)器上的光斑尺寸，以檢查圖像質(zhì)量。我們將轉(zhuǎn)到序列發(fā)射器模塊，并查看“ 場(chǎng)景像面” 上由點(diǎn)列圖確定的光斑尺寸：

假設(shè)觀察到的最小光斑對(duì)應(yīng)從光源陣列發(fā)射出來(lái)最中心點(diǎn)光源的結(jié)果。因此，我們可以將中心視場(chǎng)點(diǎn)的 RMS 半徑設(shè)置為 2.089 毫米，并得到探測(cè)器上成像的光斑的最終尺寸：

該透鏡成像的光斑空間頻率約為 72 lp/mm，其軸上 MTF 為 72.2%，我們將其作為檢測(cè)該光斑成像質(zhì)量是否充分的對(duì)比度參數(shù)。

結(jié)論
在這篇文章中，我們介紹了閃光激光雷達(dá)系統(tǒng)如何運(yùn)行的背景，并將系統(tǒng)的兩個(gè)組成部分通過(guò)序列模式系統(tǒng)進(jìn)行建模。在為激光雷達(dá)發(fā)射器的衍射元件進(jìn)行建模時(shí)，我們采用了一階方法，以生成不同的投影級(jí)次，并評(píng)估和避免光源投影中存在任何潛在的重疊。此外，我們還討論并驗(yàn)證了成像模塊是否具有我們所需的充足性能。