在消費(fèi)電子領(lǐng)域，工程師利用激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)多種功能，例如面部識(shí)別和 3D 映射。
雖然存在大量不同的激光雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)施例，但“閃光激光雷達(dá)”解決方案用于在具有固態(tài)光學(xué)元件的目標(biāo)場(chǎng)景中生成一系列可檢測(cè)點(diǎn)。
獲得用于小型封裝的 3D 空間數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)使得這種固態(tài)激光雷達(dá)系統(tǒng)在智能手機(jī)和平板電腦等消費(fèi)電子產(chǎn)品中變得越來(lái)越普遍。
在本文中，我們將探索使用 OpticStudio 來(lái)評(píng)估構(gòu)成閃光激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)的序列模型。
演示了到非序列模式的轉(zhuǎn)換，并用于插入額外的細(xì)節(jié)，例如真實(shí)世界的源屬性和散射幾何?？梢詣?chuàng)建自定義分析并在此處使用以獲取觀察場(chǎng)景的深度信息。利用 OpticsBuilder 為使用原生 OpticStudio 幾何結(jié)構(gòu)的全閃存激光雷達(dá)系統(tǒng)提供外殼，使光學(xué)和光機(jī)械工程師之間能夠更快地迭代模塊的封裝。
閃光激光雷達(dá)系統(tǒng)的序列分析
閃光激光雷達(dá)系統(tǒng)的整體組成包括兩個(gè)模塊 - 一個(gè)發(fā)射模塊，用于生成撞擊場(chǎng)景的可檢測(cè)點(diǎn)，以及一個(gè)接收成像模塊，用于捕獲這些點(diǎn)。傳輸模塊通常由一些準(zhǔn)直光學(xué)元件組成，用于將源光投射到遠(yuǎn)場(chǎng)，以及一些衍射光學(xué)元件，以在二維空間中產(chǎn)生許多階次的這種投射。
接收模塊隨后獲得投影陣列的圖像。通常，執(zhí)行一些涉及接收返回信號(hào)的時(shí)間與源生成返回信號(hào)的時(shí)間的后處理以計(jì)算飛行時(shí)間數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生場(chǎng)景的深度信息。
使用 OpticStudio，光學(xué)工程師可以設(shè)計(jì)構(gòu)成閃光激光雷達(dá)系統(tǒng)的投影和成像光學(xué)元件。
對(duì)于此型號(hào)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè) 10mm 焦距系統(tǒng)來(lái)校準(zhǔn)有效面積為 1.6mm x 1.6mm 的 LED 陣列的輸出。對(duì)于產(chǎn)生多階投影源的衍射元件，我們使用一對(duì)相互正交的衍射光柵表面來(lái)獲得X軸和Y軸階。衍射光柵的每微米線對(duì)參數(shù)值為 0.2，當(dāng)我們考慮與準(zhǔn)直透鏡一起使用的衍射光柵對(duì)的一階和中心階時(shí)，會(huì)產(chǎn)生 19.39° 的場(chǎng)景對(duì)角線半視場(chǎng)。
為確保將完整投影成像到接收傳感器上，成像光學(xué)器件設(shè)計(jì)為具有 20° 的半視場(chǎng)。利用了各種優(yōu)化目標(biāo)，包括確保該模塊中的非球面透鏡在每個(gè)部件的整體上具有足夠的厚度（例如，足夠大的邊緣厚度以滿(mǎn)足安裝要求）。
小型成像系統(tǒng)包括通常用于這些系統(tǒng)的終覆蓋窗口。由于投影和成像模塊都旨在小型化和批量生產(chǎn)，因此元件由與注塑制造工藝兼容的塑料材料定義。
確保該階段的系統(tǒng)充分發(fā)揮作用的一個(gè)方面涉及評(píng)估該鏡頭的成像性能，與接收模塊需要檢測(cè)的光斑大小相比。距離發(fā)射系統(tǒng) 1 米處的中心場(chǎng)點(diǎn)的 RMS 光斑尺寸取自順序模型，報(bào)告為 2.089 毫米。
因此，使用我們的成像系統(tǒng)，成像光斑在焦平面上的尺寸為 6.9703e-3 mm。由于我們將此點(diǎn)視為理論上可能的MIN尺寸，因此這將返回MAX空間頻率要求，從而確保在大約 72 lp/mm 時(shí)有足夠的對(duì)比度。使用 FFT MTF 分析，成像鏡頭的對(duì)比度為 72.2%，我們認(rèn)為這是足夠的對(duì)比度來(lái)觀察這個(gè)點(diǎn)。
使用非序列模式進(jìn)行端到端激光雷達(dá)建模
隨著順序設(shè)計(jì)的表現(xiàn)令人滿(mǎn)意，我們通過(guò)將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為非順序模式，在 OpticStudio 中轉(zhuǎn)向完整的系統(tǒng)視角。這使我們能夠執(zhí)行非順序光線追蹤分析。“轉(zhuǎn)換為 NSC 模式”工具可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換為非序列對(duì)應(yīng)物，使我們能夠快速組合和優(yōu)化模型。
在非序列模型中，在我們將兩個(gè)模塊合并到一個(gè)文件中后，投影光學(xué)系統(tǒng)的源屬性、成像系統(tǒng)的傳感器尺寸和分辨率以及任意場(chǎng)景幾何形狀都可以添加到模型中以進(jìn)行實(shí)際分析。我們假設(shè)具有 1.6mm x 1.6mm 有源區(qū)域的源由 5x5 的單個(gè)二極管陣列組成，每個(gè)二極管的 X/Y 發(fā)散角為 11.5°。
為了演示起見(jiàn)，假設(shè)投影模塊上的衍射級(jí)在每個(gè)軸的 +/- 1 和中心級(jí)中具有理想的透射率。還假設(shè)來(lái)自?xún)蓚€(gè)模塊的光學(xué)元件具有理想的透射率。
從一些簡(jiǎn)單的幾何圖形開(kāi)始，我們?cè)?1 米外定義了一個(gè)反射朗伯散射墻，以與來(lái)自投影模塊的光相互作用。該物體產(chǎn)生的散射會(huì)發(fā)射到半球中，默認(rèn)情況下，成像模塊的探測(cè)器平面上的信號(hào)將出現(xiàn)嚴(yán)重的欠采樣。我們可以使用 OpticStudio 的重要性采樣功能來(lái)緩解這種低信號(hào)問(wèn)題。重要性采樣將有選擇地生成散射光線，這些光線在以非序列模型中定義的任何對(duì)象為中心的指定目標(biāo)球體的方向上發(fā)射。散射光線中包含的能量會(huì)根據(jù)使用中的散射輪廓進(jìn)行修改，以便它們表現(xiàn)出真實(shí)世界的性能。
這種能量衰減的結(jié)果是我們需要注意確保 OpticStudio 中的相關(guān)非序列設(shè)置被適當(dāng)定義，以便在我們的成像模塊上獲得一些信號(hào)。在這種情況下，一個(gè)參數(shù)定義了可以基于在任何界面處相對(duì)于起始射線能量的出射射線能量的MIN允許閾值來(lái)追蹤哪些射線。
重要性采樣中的 能量衰減有時(shí)會(huì)導(dǎo)致子散射光線低于此閾值。但是，我們可以手動(dòng)降低此值，從而在我們的成像模塊上檢測(cè)我們的投影點(diǎn)圖案。
閃光激光雷達(dá)模塊的一個(gè)關(guān)鍵分析是能夠檢索成像光學(xué)器件檢測(cè)到的每個(gè)可觀察點(diǎn)的定時(shí)響應(yīng)。雖然沒(méi)有計(jì)算此值的本地分析功能，但 ZOS-API 可用作提取、后處理和呈現(xiàn) OpticStudio 生成的數(shù)據(jù)的方法。編譯用戶(hù)分析以打開(kāi)保存的射線數(shù)據(jù)庫(kù) （。ZRD） 文件并提取落在成像探測(cè)器上的各種射線的路徑長(zhǎng)度。使用具有一些相關(guān)幾何形狀的模擬桌子或桌面設(shè)置的場(chǎng)景來(lái)演示用戶(hù)分析。在非連續(xù)光線追蹤運(yùn)行后，執(zhí)行用戶(hù)分析，允許輸出每個(gè)投影點(diǎn)已行進(jìn)的距離。
從深度圖輸出中，我們可以驗(yàn)證場(chǎng)景中每個(gè)對(duì)象的位置信息。與桌子上的杯子（~0.9 米）和反射墻（~1 米）等物體相比，浮動(dòng)球體報(bào)告的移動(dòng)距離更短（~0.5 米）。
使用 OpticsBuilder 完成 Flash 激光雷達(dá)封裝
有了光學(xué)設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)閃光激光雷達(dá)系統(tǒng)的下一階段是生成機(jī)械外殼，以將光學(xué)器件固定在每個(gè)模塊內(nèi)，以及用于完整激光雷達(dá)模型的整體外殼。這需要從 OpticStudio 準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換為光機(jī)械工程師將使用的 CAD 軟件。OpticsBuilder 通過(guò)在所選的兼容 CAD 軟件中重建原始 OpticStudio 幾何結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)工程師和光機(jī)工程師之間的無(wú)縫過(guò)渡。
在 OpticStudio 中，用戶(hù)可以使用 Prepare for OpticsBuilder 工具生成直接導(dǎo)入 OpticsBuilder 的文件。加載到 OpticsBuilder 后，將使用相同的光線追蹤引擎來(lái)模擬光學(xué)性能：
當(dāng)工程師構(gòu)建機(jī)械外殼時(shí)，他們還能夠定義光學(xué)特性，例如涂層和散射輪廓以與光線相互作用，從而快速反饋新組件對(duì)整體光學(xué)性能的影響。此外，它們可以擴(kuò)展光學(xué)元件的幾何形狀，以允許添加安裝材料，而不會(huì)影響光學(xué)元件本身的設(shè)計(jì)。
一旦準(zhǔn)備好進(jìn)行性能驗(yàn)證，工程師就可以模擬新的軌跡并比較添加外殼前后的各種指標(biāo)。通過(guò)查看特定的光線集，可以在 OpticsBuilder 中實(shí)現(xiàn)性能問(wèn)題的可視化，例如光束剪裁：
如果需要將此設(shè)計(jì)迭代發(fā)送給光學(xué)工程師，OpticsBuilder 允許導(dǎo)出可由 OpticStudio 本地讀取的文件。這將保留 OpticsBuilder 中定義的幾何和光學(xué)屬性，以便在軟件包之間進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估、反饋和重新設(shè)計(jì)：
結(jié)論
在本文中，我們探索了 Zemax OpticsStudio和OpticsBuilder 的使用表征閃光激光雷達(dá)模塊并為光學(xué)組件生成一些標(biāo)稱(chēng)外殼。
在考慮來(lái)自觀察場(chǎng)景的反射、散射幾何時(shí)，順序和非順序光線追蹤模式都被用來(lái)評(píng)估性能指標(biāo)，例如接收模塊的圖像質(zhì)量和系統(tǒng)的端到端性能。
ZOS-API 提供了一種創(chuàng)建自定義分析的方法，該分析將使用來(lái)自 OpticStudio 的非序列光線跟蹤數(shù)據(jù)在軟件內(nèi)生成深度信息。
OpticsBuilder 用于為系統(tǒng)構(gòu)建機(jī)械外殼，這使得工作流程能夠在 OpticStudio 和用于創(chuàng)建外殼的 CAD 軟件之間實(shí)現(xiàn)文件的流暢傳輸。
