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)場景中生成一系列可檢測點(diǎn),。

　　獲得用于小型封裝的 3D 空間數(shù)據(jù)的優(yōu)勢使得這種固態(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)品中變得越來越普遍。

　　在本文中，我們將探索使用 OpticStudio 來評估構(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，用于生成撞擊場景的可檢測點(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,，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的時(shí)間與源生成返回信號的時(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,。

　　對于此型號,，我們設(shè)計(jì)了一個(gè) 10mm 焦距系統(tǒng)來校準(zhǔn)有效面積為 1.6mm x 1.6mm 的 LED 陣列的輸出。對于產(chǎn)生多階投影源的衍射元件,，我們使用一對相互正交的衍射光柵表面來獲得X軸和Y軸階,。衍射光柵的每微米線對參數(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的一階和中心階時(shí),，會(huì)產(chǎn)生 19.39° 的場景對角線半視場,。

　　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,。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)方面涉及評估該鏡頭的成像性能，與接收模塊需要檢測的光斑大小相比。距離發(fā)射系統(tǒng) 1 米處的中心場點(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)有足夠的對比度,。使用 FFT MTF 分析，成像鏡頭的對比度為 72.2%,，我們認(rèn)為這是足夠的對比度來觀察這個(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)令人滿意，我們通過將設(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?！稗D(zhuǎn)換為 NSC 模式”工具可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換為非序列對應(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,，假設(shè)投影模塊上的衍射級在每個(gè)軸的 +/- 1 和中心級中具有理想的透射率,。還假設(shè)來自兩個(gè)模塊的光學(xué)元件具有理想的透射率。

　　從一些簡單的幾何圖形開始,，我們在 1 米外定義了一個(gè)反射朗伯散射墻,，以與來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,，成像模塊的探測器平面上的信號將出現(xiàn)嚴(yán)重的欠采樣。我們可以使用 OpticStudio 的重要性采樣功能來緩解這種低信號問題,。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。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于起始射線能量的出射射線能量的MIN允許閾值來追蹤哪些射線,。

　　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)器件檢測到的每個(gè)可觀察點(diǎn)的定時(shí)響應(yīng),。雖然沒有計(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,。編譯用戶分析以打開保存的射線數(shù)據(jù)庫 （,。ZRD） 文件并提取落在成像探測器上的各種射線的路徑長度。使用具有一些相關(guān)幾何形狀的模擬桌子或桌面設(shè)置的場景來演示用戶分析,。在非連續(xù)光線追蹤運(yùn)行后,，執(zhí)行用戶分析，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)證場景中每個(gè)對象的位置信息。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)工程師之間的無縫過渡。

　　在 OpticStudio 中,，用戶可以使用 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),。通過查看特定的光線集,，可以在 OpticsBuilder 中實(shí)現(xiàn)性能問題的可視化，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)稱外殼。

　　在考慮來自觀察場景的反射,、散射幾何時(shí),，順序和非順序光線追蹤模式都被用來評估性能指標(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,。