飛行時(shí)間系統(tǒng)設(shè)計(jì)：深度感應(yīng)架構(gòu)

光學(xué)元件在飛行時(shí)間 (ToF) 深度傳感相機(jī)中起著關(guān)鍵作用，光學(xué)設(shè)計(jì)決定了最終系統(tǒng)的復(fù)雜性和可行性及其性能。如前文所述，3D ToF 相機(jī)具有某些獨(dú)特的特性，這些特性推動了特殊的光學(xué)要求。本文介紹了深度傳感光學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)(由成像光學(xué)子組件、接收器上的 ToF 傳感器和發(fā)射器上的照明模塊組成)，并討論了如何優(yōu)化每個(gè)子模塊以提高傳感器和系統(tǒng)性能。

介紹

ToF 是一種新興的 3D 傳感和成像技術(shù)，已在自動駕駛汽車、虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、特征識別和物體尺寸測量等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。ToF 相機(jī)通過測量光從光源傳播到場景中的物體并返回像素陣列所需的時(shí)間來獲取深度圖像。Analog Devices 的ADSD3100所采用的特定技術(shù)類型背照式 (BSI) CMOS 傳感器實(shí)現(xiàn)的技術(shù)稱為連續(xù)波 (CW) 調(diào)制，這是一種間接 ToF 傳感方法。在 CW ToF 相機(jī)中，來自幅度調(diào)制光源的光被相機(jī)視場 (FOV) 內(nèi)的物體反向散射，并測量發(fā)射波形和反射波形之間的相移。通過測量多個(gè)調(diào)制頻率下的相移，可以計(jì)算出每個(gè)像素的深度值。通過使用像素內(nèi)光子混合解調(diào)測量不同相對延遲下發(fā)射波形和接收波形之間的相關(guān)性，可以獲得相移。

深度傳感光學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)

光學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)。它可以分為兩個(gè)主要子模塊類別：成像模塊(也稱為接收器或 Rx)和照明模塊(也稱為發(fā)射器或 Tx)。以下部分介紹了每個(gè)組件的功能、ToF 系統(tǒng)的獨(dú)特要求以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)示例。

照明模塊

照明模塊由光源、以高調(diào)制頻率驅(qū)動光源的驅(qū)動器以及將光束從光源投射到設(shè)計(jì)的照明場 (FOI) 的擴(kuò)散器組成。

光源與驅(qū)動器

ToF 模塊通常使用窄帶光源，波長對溫度的依賴性較低，包括垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL) 和邊發(fā)射激光器 (EEL)。發(fā)光二極管 (LED) 通常太慢，無法滿足 ToF 調(diào)制要求。近年來，VCSEL 因其成本低、外形小、可靠性高以及易于集成到 ToF 模塊中而越來越受歡迎。與 EEL(從側(cè)面發(fā)射)和 LED(從側(cè)面和頂部發(fā)射)相比，VCSEL 發(fā)射的光束垂直于其表面，這提供了更好的生產(chǎn)良率和更低的制造成本。此外，通過使用具有設(shè)計(jì)發(fā)散度和光學(xué)輪廓的單個(gè)工程擴(kuò)散器，可以實(shí)現(xiàn)所需的 FOI。激光驅(qū)動器的優(yōu)化，以及印刷電路板(PCB)和光源的電氣設(shè)計(jì)和布局對于實(shí)現(xiàn)高調(diào)制對比度和高光功率至關(guān)重要。

照明波長(850 nm 與 940 nm)

雖然 ToF 的工作原理與波長無關(guān)(而是與光速有關(guān))，因此波長不應(yīng)影響精度，但在某些情況下，波長的選擇會影響系統(tǒng)級性能。以下是選擇波長時(shí)的一些注意事項(xiàng)。

傳感器量子效率和響應(yīng)度

量子效率(QE)和響應(yīng)度(R)相互關(guān)聯(lián)。

通常，硅基傳感器在 850 nm 處的 QE 比在 940 nm 處的 QE 大約高出 2 倍或更多。例如，ADI CW ToF 傳感器在 850 nm 處的 QE 為 44%，在 940 nm 處的 QE 為 27%。對于相同的照明光功率，更高的 QE 和 R 可帶來更好的信噪比 (SNR)，尤其是在沒有太多光返回傳感器的情況下(對于遠(yuǎn)處或低反射率物體而言)。

人類感知

雖然人眼對近紅外 (NIR) 波長范圍不敏感，但 850 nm 的光可被人眼感知。另一方面，940 nm 的光對人眼來說是不可見的。

陽光

盡管太陽輻射在光譜的可見光區(qū)域最大，但 NIR 區(qū)域的能量仍然很大。陽光(以及更普遍的環(huán)境光)會增加深度噪聲并縮小 ToF 相機(jī)的范圍。幸運(yùn)的是，由于大氣吸收，920 nm 至 960 nm 區(qū)域的太陽輻射度有所下降，其中太陽輻射度不到 850 nm 區(qū)域的一半。在戶外應(yīng)用中，在 940 nm 下操作 ToF 系統(tǒng)可提供更好的環(huán)境光抗擾度，并帶來更好的深度感應(yīng)性能。

輻射強(qiáng)度(每立體角的光功率)

光源產(chǎn)生恒定的光功率，該光功率分布在由擴(kuò)散光學(xué)元件產(chǎn)生的 FOI 內(nèi)的 3D 空間中。隨著 FOI 的增加，每立體角 (sr) 維持的能量(即輻射強(qiáng)度 [W/sr])會降低。了解 FOI 和輻射強(qiáng)度之間的權(quán)衡非常重要，因?yàn)樗鼈儠绊?ToF 系統(tǒng)的 SNR，從而影響深度范圍。

表 1 列出了幾個(gè) FOI 示例及其對應(yīng)的輻射強(qiáng)度，這些輻射強(qiáng)度以 60° × 45° FOI 的輻射強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)。請注意，輻射強(qiáng)度是以每矩形立體角的光功率計(jì)算的。

表 1. 歸一化輻射強(qiáng)度

照明輪廓規(guī)格

為了完整定義照明輪廓，我們確實(shí)需要明確指定幾個(gè)關(guān)鍵特性。這些特性包括輪廓形狀、輪廓寬度、光學(xué)效率(即封閉在特定視場(FOV)內(nèi)的能量)，以及視場(FOI)外的光功率下降。在數(shù)學(xué)上，照明輪廓規(guī)范通常以角空間中的輻射強(qiáng)度來定義。

輻射強(qiáng)度是光源在特定方向上的發(fā)光強(qiáng)度的度量，它描述了光源如何將其能量分配到不同的方向上。在角空間中，輻射強(qiáng)度可以表示為光源在不同角度上的發(fā)光強(qiáng)度的函數(shù)。

為了更具體地定義照明輪廓，我們可以使用以下數(shù)學(xué)表達(dá)式：

設(shè) I(θ,?) 表示光源在方向 (θ,?) 上的輻射強(qiáng)度，其中 θ 和 ? 分別是極坐標(biāo)中的極角和方位角。那么，照明輪廓可以通過指定 I(θ,?) 在不同方向上的值來定義。

輪廓形狀可以通過描述 I(θ,?) 在不同方向上的變化來定義。例如，如果輪廓是圓形的，那么 I(θ,?) 可能會在 θ 和 ? 的某個(gè)范圍內(nèi)保持相對恒定，然后在超出這個(gè)范圍后迅速下降。

輪廓寬度可以通過定義 I(θ,?) 顯著下降的角度范圍來指定。例如，我們可以說輪廓寬度是 θ 和 ? 的某個(gè)特定范圍，在這個(gè)范圍內(nèi) I(θ,?) 保持在其最大值的某個(gè)百分比以上。

光學(xué)效率可以通過計(jì)算封閉在特定 FOV 內(nèi)的能量與光源發(fā)出的總能量之比來定義。在數(shù)學(xué)上，這可以表示為：

η=∫all directionsI(θ,?)dΩ∫FOVI(θ,?)dΩ

其中 dΩ 是角空間中的微元，積分分別是在 FOV 內(nèi)和所有方向上進(jìn)行。

最后，F(xiàn)OI 外的光功率下降可以通過描述 I(θ,?) 在超出 FOI 后的下降速率來指定。例如，我們可以說在超出 FOI 后，I(θ,?) 會以某個(gè)特定的速率下降，或者它會下降到某個(gè)特定的閾值以下。

綜上所述，通過明確指定這些特性，我們可以完整地定義照明輪廓。這些特性包括輪廓形狀、輪廓寬度、光學(xué)效率以及 FOI 外的光功率下降，它們都可以通過數(shù)學(xué)表達(dá)式來具體描述。

型材寬度

輪廓的寬度決定了照明輪廓的 FOI。它可以定義為最大半寬或最大強(qiáng)度的 1/e 2。為了適應(yīng)成像鏡頭與成像器之間的錯(cuò)位以及擴(kuò)散器的公差，F(xiàn)OI 通常設(shè)計(jì)為略大于鏡頭的 FOV，以避免出現(xiàn)暗像素。

輪廓的寬度是光源強(qiáng)度輪廓與漫射器對準(zhǔn)直光束的響應(yīng)的卷積。漫射器的輸入發(fā)散角越寬，寬度越寬，過渡斜率越慢。過渡斜率越寬越慢，導(dǎo)致更多的能量落在 FOI 之外，從而導(dǎo)致光功率損失?？梢允褂靡韵聝蓚€(gè)要求來指定此類損失的接受標(biāo)準(zhǔn)。

光學(xué)效率——成像鏡頭視場內(nèi)封閉的能量。一般來說，可以在光源和擴(kuò)散器之間添加準(zhǔn)直透鏡，以減小擴(kuò)散器的輸入角度，或者選擇發(fā)散角較小的光源，以提高光學(xué)效率。

影像模塊

成像模塊由成像透鏡組件、帶通濾波器 (BPF) 和成像器上的微透鏡陣列組成。成像器背面光學(xué)堆棧的厚度和材料應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)低背反射。

ToF 成像鏡頭設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

由于 ToF 相機(jī)采集的是主動照明產(chǎn)生的光線，因此像素陣列上光線采集的效率和均勻度對整體性能影響很大。鏡頭需要具備強(qiáng)大的采集能力、高透過率和低雜散光。以下是 ToF 鏡頭的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，與傳統(tǒng) RGB 相機(jī)鏡頭不同。

聚光效率

光收集效率與 1/(f/#) 2成正比，其中 f/# = (焦距)/(光圈大小)。f/# 越小，效率越高。小 f/# 光學(xué)系統(tǒng)有一些缺點(diǎn)。隨著光圈大小的增加，往往會出現(xiàn)更多的暈影和像差，這會使光學(xué)設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性。低 f/# 系統(tǒng)也往往具有較淺的景深。

雜散光

雜散光是系統(tǒng)中任何可能被傳感器檢測到的意外光。雜散光可能來自場內(nèi)或場外的光源，這些光源通過偶數(shù)次反射形成重影(例如鏡頭眩光)。雜散光也可能來自光機(jī)結(jié)構(gòu)和任何散射表面。ToF 系統(tǒng)對雜散光特別敏感，因?yàn)殡s散光的多徑特性會導(dǎo)致像素的光路長度不同，從而導(dǎo)致深度測量不準(zhǔn)確。設(shè)計(jì)過程中需要使用多種策略來減少雜散光，例如優(yōu)化防反射 (AR) 涂層和機(jī)械光圈、使鏡頭邊緣和安裝結(jié)構(gòu)變暗，以及定制設(shè)計(jì) BPF 以優(yōu)化波長和 CRA。

以下是一些可能影響系統(tǒng)中雜散光的因素：

暈影

理想情況下，ToF 鏡頭系統(tǒng)中不應(yīng)出現(xiàn)任何暈影。暈影會切斷成像光線，有時(shí)可用作一種提高圖像質(zhì)量的技術(shù)，同時(shí)犧牲周邊區(qū)域的亮度。然而，截止光線通常會在鏡頭系統(tǒng)內(nèi)部反彈，容易導(dǎo)致雜散光問題。

增透膜

光學(xué)元件上的AR涂層可降低各表面的反射率，并能有效降低鏡頭反射對深度計(jì)算的影響。AR涂層應(yīng)針對光源波長范圍和鏡頭表面入射角的角度范圍進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。

鏡頭元件數(shù)量

雖然添加更多透鏡元件可以提供更多的自由來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)格和更好的分辨率圖像質(zhì)量，但它也會增加透鏡元件不可避免的背向反射，并增加復(fù)雜性和成本。

帶通濾波器(BPF)

BPF 可切斷環(huán)境光的影響，對于 ToF 系統(tǒng)至關(guān)重要。BPF 設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)以下參數(shù)進(jìn)行定制，以獲得最佳性能。

1. 鏡頭參數(shù)，

2. 光源參數(shù)，如帶寬、標(biāo)稱波長公差和熱漂移

3. 基板材料特性：低入射角隨波長漂移或低熱隨波長漂移

微透鏡陣列

ToF 背照式 (BSI) 傳感器通常具有一層微透鏡陣列，用于匯聚入射到圖像傳感器的光線并最大化到達(dá)像素調(diào)制區(qū)域的光子數(shù)量。微透鏡的幾何形狀經(jīng)過優(yōu)化，可在光子轉(zhuǎn)換為電子的像素區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)最高吸收率。

在許多鏡頭設(shè)計(jì)中，鏡頭的 CRA 會隨著圖像高度向傳感器邊緣的增加而增加。當(dāng) CRA 太大時(shí)，這種傾斜入射會導(dǎo)致像素中的吸收損失和相鄰像素之間的串?dāng)_。設(shè)計(jì)或選擇成像鏡頭時(shí)，重要的是鏡頭的 CRA 與其設(shè)計(jì)的微透鏡陣列的規(guī)格相匹配。例如，與 ADI ToF 傳感器 ADSD3100 匹配的最佳 CRA 在傳感器水平和垂直邊緣處約為 12°。

結(jié)論

ToF 光學(xué)器件具有實(shí)現(xiàn)最佳性能的獨(dú)特要求。本文概述了 3D ToF 相機(jī)光學(xué)架構(gòu)以及照明和成像子模塊的設(shè)計(jì)指南，以幫助設(shè)計(jì)此類光學(xué)系統(tǒng)和/或選擇子組件。對于照明子模塊，關(guān)鍵因素是功率效率、可靠性以及光源在高調(diào)制頻率和高調(diào)制對比度下驅(qū)動的能力。詳細(xì)討論了 850 nm 和 940 nm 之間的波長選擇考慮因素以及如何指定照明分布。對于成像子模塊，鏡頭設(shè)計(jì)考慮因素(包括 f/#、與微透鏡規(guī)格匹配的 CRA 和雜散光控制)對于系統(tǒng)級性能至關(guān)重要。