使用OpticStudio進(jìn)行閃光激光雷達(dá)系統(tǒng)建模（中）

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 Ansys Zemax 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)建模系列文章的第二篇。

01 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。

在本文中，我們將介紹如何將上篇的序列模式起始結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并向非序列模型中添加更多細(xì)節(jié)。我們還將應(yīng)用 ZOS-API 在閃光激光雷達(dá)系統(tǒng)中生成一些時(shí)間飛行結(jié)果。

02 初始轉(zhuǎn)換至非序列模式

為了觀察這兩個(gè)模塊結(jié)合成為整個(gè)系統(tǒng)將如何工作，我們可以在每個(gè)系統(tǒng)中使用 “轉(zhuǎn)換至非序列模式組” 工具（可以在文件選項(xiàng)卡…轉(zhuǎn)換至非序列模式組中找到）來(lái)生成照明和成像子系統(tǒng)的非序列模型。在照明模塊（清除多重結(jié)構(gòu)編輯器，只保留一種結(jié)構(gòu)）和成像模塊中，轉(zhuǎn)換至非序列模式組工具將使用以下設(shè)置：

以下為非序列模式下各子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換輸出結(jié)果：

03 組合模塊

在此階段，我們可以進(jìn)行一些編輯，以更輕松地組合模塊。在最終裝配中，我們假設(shè)照明模塊的光源和成像模塊的傳感器在同一個(gè)平面上，因?yàn)槲覀兛梢韵胂笏鼈冊(cè)谡麄€(gè)系統(tǒng)中共享同一個(gè)電路板。我們?cè)诜切蛄心Ｊ街胁捎玫目傮w方法是：

對(duì)于照明模塊而言：

重新定義模塊中物體的布局，使光源位于全局 Z 位置原點(diǎn)

在模塊的 “像平面” 上移除三個(gè)探測(cè)器中的兩個(gè)，增加其余探測(cè)器的尺寸，并應(yīng)用鏡面材料（因?yàn)檫@最終會(huì)起到散射壁面的作用）

刪除三個(gè)光源中的兩個(gè)，因?yàn)槲覀兒芸鞎?huì)編輯剩余的光源作為二極管光源陣列

對(duì)于成像模塊而言：

從模塊中移除光源

移除三個(gè)檢測(cè)器中的兩個(gè)，并根據(jù)序列模式文件的尺寸增加其余檢測(cè)器的尺寸

重新定義像平面的物體參考擺放情況

包含上述修改的示例文件，已作為本文章附件添加至附件下載部分。示例文件分別為：“FlashLidar_Emitter_DiffGrat_PostEdit.ZAR” 以及 “FlashLidar_Receiver_PostEdit.ZAR”。

調(diào)整后，我們可以通過(guò)復(fù)制和粘貼將成像模塊物體插入到照明模塊的非序列元件編輯器中。粘貼后，我們需要確保為插入后的物體重新編號(hào) “參考物體 (Reference Object)” 參數(shù)，以指向新的物體編號(hào)（如適用的話），例如我們的成像模塊光學(xué)元件現(xiàn)在需要指向組合模型中的 “物體10”（“成像模塊參考” 為空物體）。然后使用參考空物體編輯 X 位置來(lái)確定模塊的布局：

04 完整裝配體的最終細(xì)節(jié)

為了確定模型，我們首先需要更新光源定義，以整合關(guān)于陣列和發(fā)射特性的其他詳細(xì)信息。我們使用以下參數(shù)將光源從橢圓光源（Source Ellipse）轉(zhuǎn)換到二極管（Source Diode）光源物體：

參考物體：1

X-/Y-發(fā)散角：5°

X-/Y-超高斯系數(shù)：0

X’/Y’-數(shù)量：5

Delta-X/Y：32mm

在我們的場(chǎng)景中生成完整的光斑陣列需要修改衍射光柵（Diffraction Grating）物體的物體屬性（Object Properties）。對(duì)于每個(gè)衍射光柵，我們通過(guò)衍射（Diffraction）選項(xiàng)卡中的 “分裂” 設(shè)置來(lái)定義衍射級(jí)次，使用 “按以下表格分裂” 實(shí)現(xiàn)每個(gè)衍射級(jí)次的理想、均勻傳輸。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，將 I.99999999 的理想膜層定義放在兩個(gè)模塊所有元件的前后表面上。通過(guò)這些修改，一旦允許在 3D視圖（3D Viewer）中分裂光線，我們就可以查看完整的投影點(diǎn)陣列：

為了使壁面物體作為散射表面，在 “散射壁面” 探測(cè)器上應(yīng)用了朗伯散射配置文件。同樣，我們還通過(guò)設(shè)置 I.0 膜層（確保100%反射）和散射分?jǐn)?shù)（Scatter Fraction）值為1，使壁面成為理想的反射和散射表面。然而，在當(dāng)前定義中，由于廣角散射，散射光線很少能追跡到成像模塊。因此，重點(diǎn)采樣（Importance Sampling）可用于迫使光線向任何指定物體的頂點(diǎn)散射（參閱文章“如何利用重點(diǎn)采樣進(jìn)行高效的散射建?！?（英文原文），了解關(guān)于重點(diǎn)采樣工作原理的更多詳情）。我們將使用的目標(biāo)是 “物體11”，即成像模塊的物理孔徑，尺寸值為 0.7 mm。

當(dāng)瞄準(zhǔn)目標(biāo)物體時(shí)，由于重點(diǎn)采樣會(huì)降低散射光線的功率（以考慮光線從表面法線散射時(shí)的實(shí)際功率降低），因此需要降低ZUI小相對(duì)光線強(qiáng)度（Minimum Relative Ray Intensity），以允許 OpticStudio 追跡這些較低能量的光線。在這種情況下，設(shè)置為 1e-8 可以追跡光線，我們可以看到光線現(xiàn)在可以離開(kāi)照明模塊，由成像模塊捕獲。應(yīng)該注意的是，在兩個(gè)模塊之間引入了一個(gè)吸收矩形物體，以防止照明系統(tǒng)的雜散光影響成像透鏡探測(cè)器。

現(xiàn)在，我們可以觀察投影到壁面上的點(diǎn)列圖案以及通過(guò)成像透鏡觀察到的點(diǎn)列圖案。該步驟的示例文件已經(jīng)保存為：“FlashLidar_FullSystem.ZAR”：

05 時(shí)間飛行考慮

激光雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量光到達(dá)探測(cè)器時(shí)的飛行時(shí)間來(lái)獲得場(chǎng)景的深度信息。例如，傳感器通常是時(shí)間門控的，以捕獲從觀察到的場(chǎng)景中散射的入射光束的信息。

通過(guò)利用 ZOS-API 來(lái)構(gòu)建用戶分析（User Analysis），我們可以獲得落在最終矩形探測(cè)器上的每條光線的飛行時(shí)間數(shù)據(jù)；通過(guò)解析 ZRD 文件并分析落在成像模塊傳感器上的光線路徑長(zhǎng)度，從而獲得所觀察場(chǎng)景的深度。知識(shí)庫(kù)文章 “如何使用ZOS-API創(chuàng)建飛行時(shí)間用戶分析”包含了構(gòu)建這類用戶分析的更多信息，我們將直接使用該分析。

“如何使用ZOS-API創(chuàng)建飛行時(shí)間用戶分析”https://support.zemax.com/hc/zh-cn/articles/1500005577762

在閃光激光雷達(dá)系統(tǒng)中，添加了一些相關(guān)的幾何結(jié)構(gòu)用例，例如一個(gè)小型桌子模型和一個(gè)用作手勢(shì)識(shí)別的（極為簡(jiǎn)化）拳頭大小的球體。

在運(yùn)行用戶分析（User Analysis）之前，需要先進(jìn)行光線追跡，并且需要在光線追跡控制（Ray Trace Control）窗口中保存光線追跡數(shù)據(jù)。然后，用戶分析將能夠讀取保存的.ZRD文件。在分析中使用以下設(shè)置，我們可以獲得以下深度輸出：

有了這些結(jié)果，我們可以區(qū)分場(chǎng)景中的不同特性以及它們?cè)诓煌疃鹊奈恢?。例如，我們粗略?“拳頭” 示意球體位于用戶分析輸出的左上角，而位于桌子模型頂部的杯子則位于場(chǎng)景右上角稍遠(yuǎn)一些的位置。為了進(jìn)行演示，我們用矩形光源（Source Rectangle）使光源的全部區(qū)域發(fā)光，使場(chǎng)景充滿照明，從而更容易看到整個(gè)場(chǎng)景的深度信息：

通過(guò)設(shè)計(jì)閃存激光雷達(dá)系統(tǒng)的照明模塊和成像模塊，我們可以在最終的探測(cè)器平面上求解所投影的點(diǎn)陣列，并利用 ZOS-API 創(chuàng)建用戶分析，以獲取點(diǎn)陣列所到達(dá)的幾何結(jié)構(gòu)的深度信息。能夠求解所觀察場(chǎng)景的特征并檢索距離信息，意味著這些信息能夠傳送至計(jì)算軟件生成圖像供用戶查看，并利用用戶的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)生成的場(chǎng)景中產(chǎn)生一些變化。

06 結(jié)論

在本文章中，我們已經(jīng)介紹了序列模式下的閃光激光雷達(dá)照明和成像模塊是如何轉(zhuǎn)換到非序列模式的。我們還演示了如何改進(jìn)模型，以及將兩個(gè)模型合并到單個(gè) OpticStudio 文件中的一些方法。此外，還定義了光源的其他細(xì)節(jié)，并定義了遠(yuǎn)距離壁面上的散射屬性，以驗(yàn)證穿過(guò)整個(gè)系統(tǒng)的光線追跡。最后，我們討論了 ZOS-API 中內(nèi)置的自定義用戶分析的用法，該分析返回了全閃光激光雷達(dá)系統(tǒng)的時(shí)間飛行數(shù)據(jù)。

審核編輯：湯梓紅