飛行時(shí)間深度傳感相機(jī)的光學(xué)設(shè)計(jì)

光學(xué)器件在飛行時(shí)間（ToF）深度傳感相機(jī)中起著關(guān)鍵作用，光學(xué)設(shè)計(jì)決定了最終系統(tǒng)及其性能的復(fù)雜性和可行性。3D ToF相機(jī)具有某些獨(dú)特的特性1這推動(dòng)了特殊的光學(xué)要求。本文介紹了深度傳感光學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)（由成像光學(xué)組件、接收器上的ToF傳感器和發(fā)射器上的照明模塊組成），并討論了如何優(yōu)化每個(gè)子模塊以提高傳感器和系統(tǒng)性能。

介紹

ToF是一種新興的3D傳感和成像技術(shù)，在自動(dòng)駕駛汽車、虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、特征識(shí)別和物體尺寸標(biāo)注等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。ToF相機(jī)通過(guò)測(cè)量光線從光源傳播到場(chǎng)景中的物體并返回像素陣列所需的時(shí)間來(lái)獲取深度圖像。ADI公司的ADSD3100背照式（BSI）CMOS傳感器采用的特定技術(shù)類型稱為連續(xù)波（CW）調(diào)制，這是一種間接ToF檢測(cè)方法。在CW ToF相機(jī)中，來(lái)自調(diào)幅光源的光被相機(jī)視場(chǎng)（FOV）中的物體反向散射，并測(cè)量發(fā)射波形與反射波形之間的相移。通過(guò)測(cè)量多個(gè)調(diào)制頻率下的相移，可以計(jì)算每個(gè)像素的深度值。相移是通過(guò)使用像素內(nèi)光子混合解調(diào)測(cè)量發(fā)射波形與接收波形在不同相對(duì)延遲下的相關(guān)性而獲得的。2CW ToF的概念如圖1所示。

圖1.ToF技術(shù)的概念。

深度傳感光學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)

圖2顯示了光學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)。它可以分為兩個(gè)主要的子模塊類別：成像模塊（也稱為接收器或Rx）和照明模塊（也稱為發(fā)射器或Tx）。以下各節(jié)將介紹各組件的功能、ToF系統(tǒng)特有的要求以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)示例。

照明模塊

照明模塊由光源、以高調(diào)制頻率驅(qū)動(dòng)光源的驅(qū)動(dòng)器和將光束從光源投射到設(shè)計(jì)照明場(chǎng)（FOI）的擴(kuò)散器組成，如圖2所示。

圖2.ToF光學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)橫截面的示例。

光源和驅(qū)動(dòng)器

ToF模塊通常使用波長(zhǎng)溫度依賴性較低的窄帶光源，包括垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）和邊緣發(fā)射激光器（EEL）。發(fā)光二極管 （LED） 通常太慢，無(wú)法滿足 ToF 調(diào)制要求。VCSEL因其較低的成本、外形尺寸和可靠性以及易于集成到ToF模塊中而近年來(lái)越來(lái)越受歡迎。與EEL（從側(cè)面發(fā)射）和LED（從側(cè)面和頂部發(fā)射）相比，VCSEL發(fā)射垂直于其表面的光束，從而提供更好的生產(chǎn)良率和更低的制造成本。此外，通過(guò)使用具有設(shè)計(jì)發(fā)散和光學(xué)輪廓的單個(gè)工程擴(kuò)散器，可以實(shí)現(xiàn)所需的FOI。激光驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)化以及印刷電路板（PCB）和光源的電氣設(shè)計(jì)和布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)高調(diào)制對(duì)比度和高光功率至關(guān)重要。

照明波長(zhǎng)（850 nm 與 940 nm）

雖然ToF的工作原理不依賴于波長(zhǎng)（而是取決于光速），因此波長(zhǎng)不應(yīng)影響精度，但在某些用例中，波長(zhǎng)的選擇會(huì)影響系統(tǒng)級(jí)性能。以下是選擇波長(zhǎng)時(shí)的一些注意事項(xiàng)。

傳感器量子效率和響應(yīng)度：

量子效率（QE）和響應(yīng)度（R）是相互關(guān)聯(lián)的。

QE測(cè)量光電探測(cè)器將光子轉(zhuǎn)換為電子的能力。

R測(cè)量光電探測(cè)器將光功率轉(zhuǎn)換為電流的能力

其中Q是電子電荷，H是木板常數(shù)，c是光速，λ是波長(zhǎng)。

通常，硅基傳感器的QE在850 nm處比在940 nm處好約2×或更多。例如，ADI CW ToF傳感器在850 nm處的QE為44%，在940 nm處的QE為27%。對(duì)于相同數(shù)量的照明光功率，更高的QE和R導(dǎo)致更好的信噪比（SNR），特別是當(dāng)沒(méi)有太多光返回傳感器時(shí)（對(duì)于遠(yuǎn)處或低反射率的物體就是這種情況）。

人類感知

雖然人眼在近紅外 （NIR） 波長(zhǎng)范圍內(nèi)不敏感，但人眼可以感知 850 nm 的光。另一方面，人眼看不到 940 nm。

陽(yáng)光

盡管光譜可見(jiàn)光區(qū)域的太陽(yáng)輻射最大，但近紅外區(qū)域的能量仍然很大。陽(yáng)光（以及更普遍的環(huán)境光）會(huì)增加深度噪點(diǎn)并縮小ToF相機(jī)的覆蓋范圍。幸運(yùn)的是，由于大氣吸收，920 nm至960 nm區(qū)域的太陽(yáng)光輻照度有所下降，與850 nm區(qū)域相比，太陽(yáng)輻照度不到一半（見(jiàn)圖3）。在戶外應(yīng)用中，在 940 nm 處操作 ToF 系統(tǒng)可提供更好的環(huán)境光抗擾度，并帶來(lái)更好的深度傳感性能。

圖3.近紅外中的太陽(yáng)光譜輻照度。3

輻射強(qiáng)度（每立體角的光功率）

光源產(chǎn)生恒定的光功率，分布在漫射光學(xué)器件產(chǎn)生的FOI內(nèi)的3D空間中。隨著FOI的增加，每個(gè)球面度（sr）的持續(xù)能量（即輻射強(qiáng)度[W/sr]）降低。了解FOI和輻射強(qiáng)度之間的權(quán)衡非常重要，因?yàn)樗鼈儠?huì)影響ToF系統(tǒng)的SNR，從而影響深度范圍。

表 1 列出了 FOI 的幾個(gè)示例及其相應(yīng)的輻射強(qiáng)度歸一化為 60° × 45° FOI 的輻射強(qiáng)度。請(qǐng)注意，輻射強(qiáng)度計(jì)算為每個(gè)矩形立體角的光功率。

照明配置文件規(guī)格

為了完全定義照明輪廓，應(yīng)明確指定幾個(gè)特征，包括輪廓形狀、輪廓寬度、光學(xué)效率（即特定視場(chǎng)內(nèi)的封閉能量）和 FOI 外的光功率下降。照明剖面規(guī)格通常以角空間中的輻射強(qiáng)度定義。在數(shù)學(xué)上，它表示為：

其中dΦ是發(fā)射到立體角dΩ的功率。FOI需要與成像器的縱橫比相匹配，因此通常是正方形或矩形。

FOI內(nèi)部的照明輪廓形狀

ToF泛光照明中最常見(jiàn)的輻射強(qiáng)度分布具有蝙蝠翼形狀。他們的個(gè)人資料因 cos 而異-n（θ）補(bǔ)償成像鏡頭的下降（即相對(duì)照度）。圖 5 展示了蝙蝠翼照明剖面的示例。如果希望從平面目標(biāo)對(duì)成像器的像素陣列實(shí)現(xiàn)恒定輻照度，則還應(yīng)考慮cos3（θ） 目標(biāo)中心和目標(biāo)邊緣之間的輻照度 （E） 下降系數(shù) [W/m2]，定義為：

其中E是輻照度，dA是光功率dΦ照亮的表面積，R（θ）是圖4中定義的光源到dA的距離，dΩ = dAcos（θ）/R（θ）2.

圖4.輻照度分布與強(qiáng)度的關(guān)系。

型材寬度

輪廓的寬度決定了照明輪廓的FOI。它可以定義為全寬半最大或 1/e2的最大強(qiáng)度。為了適應(yīng)成像鏡頭與成像器之間的錯(cuò)位和漫射器的公差，F(xiàn)OI通常設(shè)計(jì)為略大于鏡頭的FOV，以避免暗像素。

輪廓的寬度是光源的強(qiáng)度曲線與擴(kuò)散器對(duì)準(zhǔn)直光束的響應(yīng)的卷積。擴(kuò)散器的輸入發(fā)散角越寬，寬度越寬，過(guò)渡斜率越慢。更寬、更慢的過(guò)渡斜率會(huì)導(dǎo)致更多的能量落在FOI之外，從而導(dǎo)致光功率損耗。可以使用以下兩個(gè)要求來(lái)指定此類損失的接受標(biāo)準(zhǔn)。

光學(xué)效率 — 成像鏡頭視場(chǎng)內(nèi)的封閉能量

該規(guī)范定義了成像模塊將接收多少能量，并由以下人員指定：

圖5c說(shuō)明了FOV中照明配置文件的2D集成概念。

FOI 外部的光功率下降

圖5.照明配置文件示例。

通常，通過(guò)在光源和漫射器之間安裝準(zhǔn)直透鏡來(lái)減小擴(kuò)散器的輸入角度，或者通過(guò)選擇發(fā)散角較小的光源，可以提高光學(xué)效率。

成像模塊

成像模塊由成像鏡頭組件、帶通濾光片（BPF）和成像儀上的微透鏡陣列組成。成像儀背面光學(xué)堆棧的厚度和材料應(yīng)針對(duì)低背反射進(jìn)行優(yōu)化。圖6顯示了成像模塊的圖示。

圖6.成像模塊的圖示。

ToF成像鏡頭設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

由于ToF相機(jī)收集主動(dòng)照明產(chǎn)生的光，因此像素陣列上光收集的效率和均勻性極大地影響了整體性能。鏡頭需要具有強(qiáng)大的收集力、高透射率和低雜散光。以下是ToF鏡頭的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，與傳統(tǒng)RGB相機(jī)鏡頭不同。

光收集效率

光收集效率與 1/（f/#） 成正比2，其中 f/# = （焦距）/（光圈大小）。f/#越小，效率越高。小型f/#光學(xué)系統(tǒng)有一些權(quán)衡。隨著孔徑尺寸的增加，往往會(huì)有更多的漸暈和像差，這使得光學(xué)器件的設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性。低f/#系統(tǒng)也往往具有較淺的景深。

相對(duì)照度 （RI） 和主射線角度 （CRA）

RI 定義為：

傳感器照度下降基于 （cos q）4定律，在無(wú)畸變和漸暈鏡頭系統(tǒng)中，其中q是傳感器平面上的CRA入射角。結(jié)果是圖像朝向傳感器邊界的相對(duì)變暗。通過(guò)在透鏡系統(tǒng)中引入負(fù)畸變，可以減少輻照度衰減。

傳感器邊緣的最大CRA應(yīng)根據(jù)成像器微透鏡陣列規(guī)格進(jìn)行優(yōu)化。較小的CRA有助于縮小BPF的帶寬，以實(shí)現(xiàn)更好的環(huán)境光抗擾度。

以下示例演示了整個(gè)場(chǎng)的 CRA 和聚焦光錐尺寸（有效 f/#）如何影響 RI。圖7中示例1的鏡頭系統(tǒng)具有較大的CRA，并且隨著視場(chǎng)角的增加，成像錐逐漸減小（即增加f / #）。相應(yīng)的折射率隨場(chǎng)角顯著下降，如相應(yīng)的折射率圖所示。圖 7 中的示例 2 表明，通過(guò)最小化 CRA 以及在整個(gè)字段中保持統(tǒng)一的 f/#，可以很好地維護(hù) RI。

雜散光

雜散光是系統(tǒng)中任何可能被傳感器檢測(cè)到的意外光。雜散光可以來(lái)自場(chǎng)內(nèi)或場(chǎng)外源，通過(guò)偶數(shù)次反射形成鬼像（例如，鏡頭光暈）。雜散光也可以來(lái)自光機(jī)械結(jié)構(gòu)和任何散射表面。ToF系統(tǒng)對(duì)雜散光特別敏感，因?yàn)殡s散光的多徑特性為像素貢獻(xiàn)了不同的光程長(zhǎng)度，從而導(dǎo)致深度測(cè)量不準(zhǔn)確。設(shè)計(jì)過(guò)程中需要使用幾種策略來(lái)減少雜散光，例如優(yōu)化增透膜和機(jī)械孔徑，使透鏡邊緣和安裝結(jié)構(gòu)變暗，以及定制設(shè)計(jì)BPF以優(yōu)化波長(zhǎng)和CRA。

以下是一些可能影響系統(tǒng)中雜散光的項(xiàng)目：

暗角

理想情況下，ToF鏡頭系統(tǒng)中不應(yīng)有任何暗角。暗角會(huì)切斷成像光線，有時(shí)被用作一種提高圖像質(zhì)量的技術(shù)，同時(shí)犧牲外圍場(chǎng)的亮度。然而，截止光線經(jīng)常在鏡頭系統(tǒng)內(nèi)反彈，并容易引起雜散光問(wèn)題。

增透膜

光學(xué)元件上的AR鍍膜降低了每個(gè)表面的反射率，可以有效減少透鏡反射對(duì)深度計(jì)算的影響。增透膜應(yīng)針對(duì)光源波長(zhǎng)范圍和透鏡表面入射角的角度范圍進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。

鏡頭元件數(shù)量

雖然添加更多的鏡頭元件提供了更大的自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)格和更好的分辨率圖像質(zhì)量，但它也增加了鏡頭元件不可避免的背反射，并增加了復(fù)雜性和成本。

帶通濾波器

BPF 可切斷環(huán)境光的貢獻(xiàn)，對(duì)于 ToF 系統(tǒng)至關(guān)重要。BPF 設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)以下參數(shù)進(jìn)行定制，以獲得最佳性能。

（a） 鏡頭參數(shù)，如整個(gè)視場(chǎng)的f/#和CRA

（b） 光源參數(shù)，如帶寬、標(biāo)稱波長(zhǎng)公差和熱偏移

（c） 基板材料對(duì)低入射角漂移與波長(zhǎng)或低熱漂移與波長(zhǎng)的特性

微透鏡陣列

ToF背照式（BSI）傳感器通常具有一層微透鏡陣列，用于將入射到圖像傳感器的光線會(huì)聚，并最大化到達(dá)像素調(diào)制區(qū)域的光子數(shù)量。微透鏡的幾何形狀經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可在光子轉(zhuǎn)換為電子的像素區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)最高吸收。

圖7.相對(duì)照明示例。

在許多鏡頭設(shè)計(jì)中，鏡頭的CRA隨著圖像高度向傳感器邊緣的增加而增加，如圖8所示。當(dāng)CRA太大時(shí)，這種傾斜入射會(huì)導(dǎo)致像素中的吸收損失和相鄰像素之間的串?dāng)_。重要的是設(shè)計(jì)或選擇成像鏡頭，使鏡頭的CRA與其設(shè)計(jì)的微透鏡陣列的規(guī)格相匹配。例如，與ADI ToF傳感器ADSD3100匹配的最佳CRA在傳感器水平和垂直邊緣處約為12°。

圖8.成像鏡頭的最大CRA。

結(jié)論

ToF光學(xué)器件具有實(shí)現(xiàn)最佳性能的獨(dú)特要求。本文概述了3D ToF相機(jī)的光學(xué)架構(gòu)以及照明和成像子模塊的設(shè)計(jì)指南，以幫助設(shè)計(jì)此類光學(xué)系統(tǒng)和/或選擇子組件。對(duì)于照明子模塊，關(guān)鍵因素是功率效率、可靠性以及光源在高調(diào)制頻率和高調(diào)制對(duì)比度下驅(qū)動(dòng)的能力。詳細(xì)討論了 850 nm 和 940 nm 之間的波長(zhǎng)選擇注意事項(xiàng)，以及如何指定照明配置文件。對(duì)于成像子模塊，鏡頭設(shè)計(jì)考慮因素包括f/#、符合微透鏡規(guī)格的CRA和雜散光控制，對(duì)于系統(tǒng)級(jí)性能至關(guān)重要。

審核編輯：郭婷