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光学设计在TOF深度传感摄像头

2021年8月25日编辑的选择

编者按:以下是来自Analog Devices覆盖时间飞行系统设计的系列文章的第二部分。对于广泛的系统概述,浏览www.ballardstreet.com / * aug21-adi将被重定向到模拟设备网站上的第1部分。

时间飞行(TOF)是一个新兴的3D传感和成像技术,发现等领域的自主车,虚拟和增强现实,特征识别和物体尺寸多种应用。时差测距相机通过测量时间获得深度图像所花费的光行进从光源到场景中并返回到所述像素阵列的对象。

模拟设备公司的ADSD3100背面发光(BSI) CMOS传感器实现的具体技术类型称为连续波(CW)调制,这是一种间接的ToF传感方法。在连续波ToF相机中,来自调幅光源的光被相机视场(FOV)中的物体背向散射,测量发射波形和反射波形之间的相移。

通过测量多个调制频率下的相移,可以计算每个像素的深度值。采用像素内光子混合解调技术,通过测量不同相对时延下发射波形和接收波形的相关性,得到相移。CW ToF的概念如图1所示。

深度传感光学系统架构

图2显示了光学系统架构。它可以分为两个主要的子模块类别:成像模块(也称为接收器或Rx)和照明模块(也称为发射器或Tx)。以下部分介绍了每个组件的功能、不同于ToF系统的需求和相应的设计实例。

照明模块

照明模块由光源、以高调制频率驱动光源的驱动器和将光束从光源投射到设计的照明场(FOI)的扩散器组成,如图2所示。

光源和驱动器

ToF模块通常使用波长与温度相关性较低的窄带光源,包括垂直腔面发射激光器(VCSELs)和边缘发射激光器(EELs)。

对于ToF调制要求,发光二极管(led)通常太慢。近年来,vcsel由于其较低的成本、外形和可靠性,以及易于集成到ToF模块中而越来越受欢迎。与EELs(从侧面发射)和led(从侧面和顶部发射)相比,vcsel发射的光束垂直于其表面,这提供了更好的产量和更低的制造成本。此外,可以通过使用具有设计的散度和光学轮廓的单个工程扩散器来实现所需的FOI。激光驱动器的优化,以及印刷电路板(pcb)和光源的电气设计和布局是实现高调制对比度和高光功率的关键。

照明波长(850纳米与940纳米)

虽然ToF的工作原理不依赖于波长(而是依赖于光的速度),因此波长不应该影响精度,但在某些情况下,波长的选择可能会影响系统级的性能。以下是选择波长时的一些考虑。

传感器量子效率和响应

量子效率(QE)和响应(R)被连接到彼此。

•QE措施的光电探测器的光子转化为电子的能力:


R测量光电探测器将光功率转换为电流的能力:


其中q是电子电荷,h是普朗克常数,c是光速,λ是波长。

通常,基于硅的传感器的QE是约两倍(或更多)在850nm处比在940纳米。例如,Analog Devices公司的CW的ToF传感器具有在850个NBS 44%QE; nm和940nm的27%QE。对于相同量的照明光功率,更高的QE和R带来更好的信噪比(SNR),特别是当没有太多的光返回到所述传感器(其是用于遥远或低反射率的物体的情况下)。

人类的感知

人眼在近红外(NIR)波长范围内不敏感,但在850 nm处人眼可以感知。另一方面,940纳米是肉眼看不到的。

阳光

虽然太阳能发射在光谱的可见区域最大,在NIR区域的能量仍然是显著。阳光(和环境光更一般地)可以增加深度噪声和减少一个TOF相机的范围内。幸运的是,由于大气吸收,存在太阳光辐照浸泡在920纳米至960纳米的区域,其中,所述太阳辐射小于一半,850纳米区域(参见图3)。在户外应用,在940纳米操作TOF系统提供了更好的环境光抗扰度,带来更好的深度感测性能。

辐射强度(每立体角的光功率)

所述光源产生分配到由所述扩散光学系统所产生的FOI内的3D空间中的恒定的光功率。即,辐射强度(W / sr) - - 随着所述FOI的增加,能量每球面度(SR)持续。理解FOI和辐射强度之间的权衡,因为它们影响到TOF系统的SNR,并且因此所述深度范围内,这一点很重要。

表1列出了几个FOI的例子,它们对应的辐射强度归一化为60°x 45°FOI的辐射强度。注意,辐射强度是按每个矩形立体角的光功率计算的。

照明概要文件规范

为了充分定义照明轮廓,需要明确几个特征,包括轮廓形状、轮廓宽度、光学效率(即一定视场范围内的封闭能量)和视场外的光功率下降。照度剖面规范通常定义为角空间中的辐射强度。数学上它表示为:


其中dΦ为射入实心角dΩ的功率。FOI需要匹配成像仪的宽高比,因此通常是正方形或矩形。

FOI内部照明轮廓形状

在ToF泛光照明中,最常见的辐射强度分布是蝙蝠形。它们的轮廓以cos-变化N(θ)来补偿成像透镜的下降(即相对照度)。图5展示了蝙蝠照明剖面的一个例子。如果希望从平面目标在成像仪的像素阵列上实现恒定的辐照度,还应该考虑cos3.(θ)的目标中心与目标边缘[之间脱落因子在辐照度(E)W /米2],其定义为:


式中E为辐照度,dA为光功率dΦ照射的表面积,R(θ)为光源与图4中定义的dA之间的距离,dΩ = dA•cos(θ)/R(θ)2

剖面宽度

轮廓线的宽度决定了照明轮廓线的FOI。它可以定义为全宽半最大值或1/e2最大强度。为了适应成像镜头与成像器之间的不对齐和漫射器的公差,FOI通常设计为略大于镜头的FOV,以避免暗像素。

轮廓的宽度是光源的强度轮廓与扩散器对准直光束的响应的卷积。扩压器的输入发散角越宽,其宽度越宽,过渡斜率越慢。更宽和更慢的过渡斜率会导致更多的能量落在FOI之外,从而导致光功率损失。这种损失的验收标准可以使用以下两个要求来指定。

光学效率-成像镜头视场内的能量

该规范定义了成像模块将接收多少能量,具体如下:


图5c说明了视场内光照剖面的2D集成概念。

FOI外的光功率下降


一般来说,在光源和漫射器之间设置准直透镜以减小对漫射器的输入角,或者选择发散角较小的光源,可以提高光学效率。

成像模块

成像模块由成像透镜组件,成像器带通滤波器(BPF)和微透镜阵列。在成像器的背面光学堆叠的厚度和材料应为低背reflectio进行优化。图6示出的摄像模块的图示。

ToF成像镜头设计注意事项

由于ToF相机对主动照明产生的光进行采集,像素阵列上光采集的效率和均匀性对整体性能影响很大。透镜需要具有强的采集功率、高的透射率和低杂散光。以下是不同于传统RGB相机镜头的ToF镜头的设计注意事项。

光收集效率

光收集效率与1/(f/#)成正比2,其中f/# =(焦距)/(光圈大小)。f/#越小,效率越高。有一些与小型f/#光学系统的权衡。随着孔径的增大,光晕和像差的增加,使得光学设计更具挑战性。低f/#系统的景深也较浅。

相对照度(RI)和主光线角(CRA)

RI的定义为:


传感器照度下降基于(cos q)4.,其中q为传感器平面上的CRA入射角。结果是图像向传感器边界相对变暗。在透镜系统中引入负畸变可以减少辐照度的下降。

在传感器边缘处的最大CRA应当基于成像器的微透镜阵列规范进行优化。较小的CRA有助于缩小BPF的带宽以达到更好的环境光抗扰度。

下面的例子演示的CRA和如何聚焦的光锥的尺寸(有效的f /#)跨字段影响RI。实施例1的图7中的透镜系统具有较大的CRA和逐渐减小成像锥体(即,增加的f /#)作为视场角增大。如图中对应RI情节对应的RI与场角显著下降。实施例2在图7中表明,RI可以通过最小化CRA以及保持均匀的f /#在整个字段可以保持良好。

杂散光

杂散光是系统中任何可能被传感器检测到的意外光线。杂散光可以来自场源内部或外部,通过偶数次反射形成鬼像(例如,镜头光晕)。杂散光也可以从光学机械结构和任何散射表面发出。ToF系统对杂散光特别敏感,因为杂散光的多径特性使一个像素具有不同的光路长度,从而导致深度测量不准确。

在设计过程中需要采用一些策略来减少杂散光,例如优化抗反射(AR)涂层和机械孔径,加深镜头边缘和安装结构,定制BPF以优化波长和CRA。

以下是一些物品,可以在一个系统中影响杂散光:

•晕光-理想情况下,在ToF镜头系统中不应该有任何晕光。渐晕可以切断成像射线,有时也被用作一种提高成像质量的技术,同时抵消外围场的亮度。然而,截止光线经常在镜头系统内部反弹,容易造成杂散光问题。

•AR涂层-光学元件上的AR涂层降低了每个表面的反射率,可以有效减少透镜反射对深度计算的影响。AR涂层应根据光源的波长范围和镜头表面入射角度的角度范围精心设计。

•镜头元素的数量——虽然增加更多的镜头元素可以提供更大的自由度来达到设计规格,并在分辨率方面获得更好的图像质量,但这也增加了镜头元素不可避免的反射,以及增加复杂性和成本。

•带通滤波器(BPF) - 的BPF切断环境光的贡献,是必不可少的TOF系统。该BPF的设计应根据以下参数,以最佳的性能:

(a)镜头参数,如f/#和CRA跨场。

(b)光源参数,如带宽、标称波长公差和热位移。

(c)衬底材料的特性:低入射角随波长漂移或低热漂移随波长漂移。

微透镜阵列

ToF背面照明(BSI)传感器通常有一层微透镜阵列,用于汇聚入射到图像传感器的光线,并最大限度地增加到达像素调制区域的光子数量。微透镜的几何形状被优化,以实现像素区域内光子转换为电子的最高吸收。

在许多镜头设计中,镜头的CRA随着图像高度向传感器边缘的增加而增加,如图8所示。这种斜入射在CRA太大时,会导致像元吸收损失和相邻像元之间的串扰。重要的是设计或选择成像镜头,使镜头的CRA匹配其设计的微透镜阵列的规格。例如,与Analog Devices的ADSD3100 ToF传感器匹配的最佳CRA在传感器水平和垂直边缘约为12°。

结论

ToF光学对达到最佳性能有独特的要求。本文概述了三维ToF相机的光学体系结构和照明和成像子模块的设计指南,以帮助设计这样的光学系统和/或选择子组件。对于照明子模块,关键因素是功率效率、可靠性和光源在高调制频率和高调制对比度下驱动的能力。

850纳米和940纳米,以及如何指定照明轮廓之间的波长选择的考虑,在详细的讨论。用于成像子模块,所述透镜设计考虑包括F /#,CRA,与微透镜说明书和杂散光控制匹配是系统级的性能的关键。

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