如何使用OpticStudio對此類系統(tǒng)進(jìn)行建模

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，而“閃存激光雷達(dá)”解決方案適用于在使用固態(tài)光學(xué)元件的目標(biāo)場景中生成可檢測的點(diǎn)陣列。憑借在針對小型封裝獲取三維空間數(shù)據(jù)方面的優(yōu)勢，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。

在這個系列的文章中，我們將探討如何使用OpticStudio對此類系統(tǒng)進(jìn)行建模，包括從序列起始點(diǎn)到集成機(jī)械外殼的整個流程。

01 簡介

激光雷達(dá)系統(tǒng)在工業(yè)界中有著多種場景下的應(yīng)用，對應(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)元件來復(fù)制光源陣列在目標(biāo)場景中的投影。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間信息，進(jìn)而生成投影點(diǎn)的深度信息。

在第三部分中，我們會介紹如何使用 Prepare for OpticsBuilder 將光學(xué)模型轉(zhuǎn)換為 .ZBD 文件。通過轉(zhuǎn)換，我們能夠在 OpticsBuilder 中打開光學(xué)模型，并用于受支持的 CAD 平臺，以生成機(jī)械外殼并執(zhí)行光線追跡驗證。

02 使用Prepare for OpticsBuilder

在前兩篇文章中，我們已經(jīng)在OpticStudio中為閃存激光雷達(dá)系統(tǒng)創(chuàng)建了一個完整的端到端模型。

現(xiàn)在，設(shè)計流程的下一步需要構(gòu)建一些機(jī)械外殼，以便將光學(xué)元件固定在各自的軌道內(nèi)（即特定的發(fā)射和接收模塊）。此外，機(jī)械設(shè)計還需要一些能夠容納各個模塊的封裝。Prepare for OpticsBuilder 工具可生成擴(kuò)展名為 .ZBD 的文件，該文件可以通過 OpticsBuilder 模塊讀取，以便用于受支持的 CAD 平臺，從而幫助光學(xué)和光機(jī)工程師能夠快速地進(jìn)行文件共享和協(xié)作。

首先，我們來看一下之前研究的非序列模式閃光激光雷達(dá)模型，我們對它進(jìn)行了簡單的修改，只使用光學(xué)元件和單個散射壁面（請注意，在本文中壁面已從矩形探測器更改為矩形 2D 表面）。接下來，我們通過文件選項卡…Prepare for OpticsBuilder（File tab…Prepare for OpticsBuilder）打開 Prepare for OpticsBuilder：

在 Prepare for OpticsBuilder 中，光學(xué)工程師可指定一些合適的設(shè)置，以檢查 ZBD 文件轉(zhuǎn)換是否保留了與原生 OpticStudio 文件相同的性能。對于閃光激光雷達(dá)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，由于我們對光線分束和散射進(jìn)行了建模，因此我們想要確保在分析方式（Analyze With）設(shè)置中勾選散射（Scattering）和光線分束（Ray splitting）框。同樣地，在 OpticsBuilder 中是否將文件設(shè)為只讀也取決于工程師的選擇，對于本例，我們將不勾選只讀框：

當(dāng)完成用戶輸入（User Inputs）選項卡的編輯后，我們選擇準(zhǔn)備（Prepare）以開始轉(zhuǎn)換過程，并讓工具檢查 ZBD 文件是否能夠在允許的增量和公差（在本例中，我們將其保留為默認(rèn)值）范圍內(nèi)執(zhí)行。在保存.ZBD文件（Save .ZBD File）選項卡中單擊保存（Save），以生成 OpticsBuilder 就緒文件。

03 使用OpticsBuilder

一旦創(chuàng)建了 .ZBD 文件，光機(jī)工程師就可以將其導(dǎo)入到 OpticsBuilder 中。在安裝了 OpticsBuilder 插件的 CAD 程序中（目前僅支持 Creo），通過打開一個新的裝配體文件即可完成操作。選擇合適的文件后， OpticsBuilder 將開始在您使用的 CAD 程序中生成光學(xué)系統(tǒng)：

在導(dǎo)入完成后，工程師可以查看完整的光學(xué)模型和幾何結(jié)構(gòu)，光學(xué)管理器（Optics Manager）中將列出相關(guān)的光學(xué)元件。如果在 Prepare for OpticsBuilder 工具中未勾選 只讀？（Read-only?），光機(jī)工程師也可對其進(jìn)行編輯：

由于保留了 OpticStudio 文件中的設(shè)置，我們可以使用 仿真（Simulate）按鈕，直接在 OpticsBuilder 中執(zhí)行與 OpticStudio 中相同的光線追跡。這使得光機(jī)工程師能夠產(chǎn)生關(guān)于外殼整體設(shè)計的一些想法：

現(xiàn)在可以使用CAD軟件來添加機(jī)械元件。在自上而下的設(shè)計中創(chuàng)建機(jī)械元件時，可以參考導(dǎo)入的光學(xué)元件幾何結(jié)構(gòu)。默認(rèn)情況下，光學(xué)元件是固定的，但新創(chuàng)建的機(jī)械元件可以通過指定配置屬性進(jìn)行約束。

此外，您還可以使用之前構(gòu)建的現(xiàn)成部件，這些部件可以插入到裝配體中并使用配置進(jìn)行定位。最后，還可以將新引入元件的光學(xué)定義（例如膜層和散射配置文件數(shù)據(jù)）包括在內(nèi)。例如，在每個軌道的光學(xué)元件之間添加機(jī)械墊片：

下一個添加的機(jī)械元件是用于容納每個單獨(dú)模塊的筒：

對于所有這些物體，可以在光學(xué)管理器（Optics Manager）選項卡中，通過右鍵點(diǎn)擊相關(guān)物體并選擇編輯表面屬性（Edit Surface Properties）來指定光學(xué)屬性：

04 在OpticsBuilder中驗證系統(tǒng)性能

完成機(jī)械封裝后，我們可以開展另一個仿真，以便查看添加的外殼如何影響整個光學(xué)系統(tǒng)的光線追跡。假設(shè)我們已經(jīng)準(zhǔn)備好以下用于驗證的機(jī)械設(shè)計：

要運(yùn)行另一個仿真，我們將導(dǎo)航至 OpticsBuilder 選項卡，然后單擊仿真（Simulate）。添加新的機(jī)械元件后，OpticsBuilder 可以評估探測器在光斑尺寸、光束遮擋和像面污染等名義性能上的任何變化：

因此，有了這些機(jī)械元件，我們系統(tǒng)的主要變化是在光束遮擋方面。在該模型中，光斑尺寸可報告整個探測器性能的變化，即意味著它根據(jù)衍射光柵創(chuàng)建的點(diǎn)陣列來報告光斑尺寸，而這和現(xiàn)在的情況不太相關(guān)。

像面污染可測量到達(dá)探測器的多余光線，這仍然相關(guān)并且保持在我們準(zhǔn)備 OB 的初始步驟中定義的允許增量范圍內(nèi)。通過單擊“光斑尺寸（Spot size）”區(qū)域，然后單擊顯示探測器…（Show Detectors…），可以查看在添加機(jī)械元件之前和之后的探測器結(jié)果：

此外，還可以通過“打?。≒rint）”按鈕生成 OpticsBuilder 報告來查看這些結(jié)果：

為了進(jìn)一步研究，OpticsBuilder會根據(jù)光線是否污染探測器或是否被新的幾何結(jié)構(gòu)遮擋來保存光線。通過右鍵點(diǎn)擊相應(yīng)的光線集，我們可以顯示被遮擋的光線，同時定義要隱藏的其它光線集（“像面污染（Image contamination）”和“所有光線（All Rays）”）：

從這個角度對光線進(jìn)行更仔細(xì)的檢查，可以對某些光束遮擋的光源進(jìn)行一些診斷。工程師可以檢查整個外殼的性能，也可以通過在仿真中包含或去除單個機(jī)械元件來評估任何添加幾何結(jié)構(gòu)組合的潛在干擾。例如，將外殼安裝到發(fā)射模塊末端的衍射光柵元件上會造成光源遮擋。光線與外殼的這一部分相互作用，隨后被捕獲在外殼中：

利用這些詳細(xì)信息，機(jī)械工程師可以在修改外殼設(shè)計時做出明智的決策，以降低光束遮擋的情況。

05 OpticsBuilder與OpticStudio之間的迭代

如果需要將此設(shè)計迭代發(fā)送給光學(xué)工程師進(jìn)行進(jìn)一步審核，光機(jī)工程師可以從OpticsBuilder導(dǎo)出.ZBD文件，以便在OpticsBuilder選項卡中輕松實(shí)現(xiàn)CAD程序和OpticStudio之間的文件傳輸。

工程師可以選擇將部件保存為所用CAD程序的原生元件，但請注意，這需要光學(xué)工程師擁有Premium OpticStudio許可證，并可以訪問相同的CAD軟件。此外，用戶還可以選擇將元件保存為靜態(tài)STEP/IGES/SAT文件：

由于.ZBD文件類似于OpticStudio .ZAR存檔文件，因此可以在OpticStudio中將其打開，并完全再現(xiàn)由光機(jī)工程師添加的光學(xué)和機(jī)械元件。

值得注意的是，在撰寫本文時，需要為散射壁面重新定義第二部分中定義的重點(diǎn)采樣(Importance Sampling）設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)如上所示的光線追跡。

在本篇文章中，我們演示了OpticStudio和OpticsBuilder之間的轉(zhuǎn)換過程，從而為我們的光學(xué)模塊創(chuàng)建機(jī)械封裝。將光學(xué)模型整合到所選的兼容CAD程序后，OpticsBuilder可以使用與OpticStudio相同的光線追跡核心來仿真光線追跡，以檢查光斑尺寸、光束遮擋和像面污染方面的變化。這些光線集的隔離有助于評估機(jī)械或光學(xué)設(shè)計可能需要在哪些方面進(jìn)行修改。

最后，光學(xué)和光機(jī)工程師可以通過在OpticsBuilder和OpticStudio之間共享.ZBD文件來實(shí)現(xiàn)其設(shè)計的無縫迭代。







審核編輯：劉清