飞行时间系统设计：深度感应架构

光学元件在飞行时间 (ToF) 深度传感相机中起着关键作用，光学设计决定了最终系统的复杂性和可行性及其性能。如前文所述，3D ToF 相机具有某些独特的特性，这些特性推动了特殊的光学要求。本文介绍了深度传感光学系统架构(由成像光学子组件、接收器上的 ToF 传感器和发射器上的照明模块组成)，并讨论了如何优化每个子模块以提高传感器和系统性能。

介绍

ToF 是一种新兴的 3D 传感和成像技术，已在自动驾驶汽车、虚拟和增强现实、特征识别和物体尺寸测量等领域得到广泛应用。ToF 相机通过测量光从光源传播到场景中的物体并返回像素阵列所需的时间来获取深度图像。Analog Devices 的ADSD3100所采用的特定技术类型背照式 (BSI) CMOS 传感器实现的技术称为连续波 (CW) 调制，这是一种间接 ToF 传感方法。在 CW ToF 相机中，来自幅度调制光源的光被相机视场 (FOV) 内的物体反向散射，并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，可以计算出每个像素的深度值。通过使用像素内光子混合解调测量不同相对延迟下发射波形和接收波形之间的相关性，可以获得相移。

深度传感光学系统架构

光学系统架构。它可以分为两个主要子模块类别：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、ToF 系统的独特要求以及相应的设计示例。

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以及将光束从光源投射到设计的照明场 (FOI) 的扩散器组成。

光源与驱动器

ToF 模块通常使用窄带光源，波长对温度的依赖性较低，包括垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 和边发射激光器 (EEL)。发光二极管 (LED) 通常太慢，无法满足 ToF 调制要求。近年来，VCSEL 因其成本低、外形小、可靠性高以及易于集成到 ToF 模块中而越来越受欢迎。与 EEL(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，这提供了更好的生产良率和更低的制造成本。此外，通过使用具有设计发散度和光学轮廓的单个工程扩散器，可以实现所需的 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对于实现高调制对比度和高光功率至关重要。

照明波长(850 nm 与 940 nm)

虽然 ToF 的工作原理与波长无关(而是与光速有关)，因此波长不应影响精度，但在某些情况下，波长的选择会影响系统级性能。以下是选择波长时的一些注意事项。

传感器量子效率和响应度

量子效率(QE)和响应度(R)相互关联。

通常，硅基传感器在 850 nm 处的 QE 比在 940 nm 处的 QE 大约高出 2 倍或更多。例如，ADI CW ToF 传感器在 850 nm 处的 QE 为 44%，在 940 nm 处的 QE 为 27%。对于相同的照明光功率，更高的 QE 和 R 可带来更好的信噪比 (SNR)，尤其是在没有太多光返回传感器的情况下(对于远处或低反射率物体而言)。

人类感知

虽然人眼对近红外 (NIR) 波长范围不敏感，但 850 nm 的光可被人眼感知。另一方面，940 nm 的光对人眼来说是不可见的。

阳光

尽管太阳辐射在光谱的可见光区域最大，但 NIR 区域的能量仍然很大。阳光(以及更普遍的环境光)会增加深度噪声并缩小 ToF 相机的范围。幸运的是，由于大气吸收，920 nm 至 960 nm 区域的太阳辐射度有所下降，其中太阳辐射度不到 850 nm 区域的一半。在户外应用中，在 940 nm 下操作 ToF 系统可提供更好的环境光抗扰度，并带来更好的深度感应性能。

辐射强度(每立体角的光功率)

光源产生恒定的光功率，该光功率分布在由扩散光学元件产生的 FOI 内的 3D 空间中。随着 FOI 的增加，每立体角 (sr) 维持的能量(即辐射强度 [W/sr])会降低。了解 FOI 和辐射强度之间的权衡非常重要，因为它们会影响 ToF 系统的 SNR，从而影响深度范围。

表 1 列出了几个 FOI 示例及其对应的辐射强度，这些辐射强度以 60° × 45° FOI 的辐射强度为标准。请注意，辐射强度是以每矩形立体角的光功率计算的。

表 1. 归一化辐射强度

照明轮廓规格

为了完整定义照明轮廓，我们确实需要明确指定几个关键特性。这些特性包括轮廓形状、轮廓宽度、光学效率(即封闭在特定视场(FOV)内的能量)，以及视场(FOI)外的光功率下降。在数学上，照明轮廓规范通常以角空间中的辐射强度来定义。

辐射强度是光源在特定方向上的发光强度的度量，它描述了光源如何将其能量分配到不同的方向上。在角空间中，辐射强度可以表示为光源在不同角度上的发光强度的函数。

为了更具体地定义照明轮廓，我们可以使用以下数学表达式：

设 I(θ,ϕ) 表示光源在方向 (θ,ϕ) 上的辐射强度，其中 θ 和 ϕ 分别是极坐标中的极角和方位角。那么，照明轮廓可以通过指定 I(θ,ϕ) 在不同方向上的值来定义。

轮廓形状可以通过描述 I(θ,ϕ) 在不同方向上的变化来定义。例如，如果轮廓是圆形的，那么 I(θ,ϕ) 可能会在 θ 和 ϕ 的某个范围内保持相对恒定，然后在超出这个范围后迅速下降。

轮廓宽度可以通过定义 I(θ,ϕ) 显著下降的角度范围来指定。例如，我们可以说轮廓宽度是 θ 和 ϕ 的某个特定范围，在这个范围内 I(θ,ϕ) 保持在其最大值的某个百分比以上。

光学效率可以通过计算封闭在特定 FOV 内的能量与光源发出的总能量之比来定义。在数学上，这可以表示为：

η=∫all directionsI(θ,ϕ)dΩ∫FOVI(θ,ϕ)dΩ

其中 dΩ 是角空间中的微元，积分分别是在 FOV 内和所有方向上进行。

最后，FOI 外的光功率下降可以通过描述 I(θ,ϕ) 在超出 FOI 后的下降速率来指定。例如，我们可以说在超出 FOI 后，I(θ,ϕ) 会以某个特定的速率下降，或者它会下降到某个特定的阈值以下。

综上所述，通过明确指定这些特性，我们可以完整地定义照明轮廓。这些特性包括轮廓形状、轮廓宽度、光学效率以及 FOI 外的光功率下降，它们都可以通过数学表达式来具体描述。

型材宽度

轮廓的宽度决定了照明轮廓的 FOI。它可以定义为最大半宽或最大强度的 1/e 2。为了适应成像镜头与成像器之间的错位以及扩散器的公差，FOI 通常设计为略大于镜头的 FOV，以避免出现暗像素。

轮廓的宽度是光源强度轮廓与漫射器对准直光束的响应的卷积。漫射器的输入发散角越宽，宽度越宽，过渡斜率越慢。过渡斜率越宽越慢，导致更多的能量落在 FOI 之外，从而导致光功率损失。可以使用以下两个要求来指定此类损失的接受标准。

光学效率——成像镜头视场内封闭的能量。一般来说，可以在光源和扩散器之间添加准直透镜，以减小扩散器的输入角度，或者选择发散角较小的光源，以提高光学效率。

影像模块

成像模块由成像透镜组件、带通滤波器 (BPF) 和成像器上的微透镜阵列组成。成像器背面光学堆栈的厚度和材料应进行优化，以实现低背反射。

ToF 成像镜头设计注意事项

由于 ToF 相机采集的是主动照明产生的光线，因此像素阵列上光线采集的效率和均匀度对整体性能影响很大。镜头需要具备强大的采集能力、高透过率和低杂散光。以下是 ToF 镜头的设计注意事项，与传统 RGB 相机镜头不同。

聚光效率

光收集效率与 1/(f/#) 2成正比，其中 f/# = (焦距)/(光圈大小)。f/# 越小，效率越高。小 f/# 光学系统有一些缺点。随着光圈大小的增加，往往会出现更多的晕影和像差，这会使光学设计更具挑战性。低 f/# 系统也往往具有较浅的景深。

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。杂散光可能来自场内或场外的光源，这些光源通过偶数次反射形成重影(例如镜头眩光)。杂散光也可能来自光机结构和任何散射表面。ToF 系统对杂散光特别敏感，因为杂散光的多径特性会导致像素的光路长度不同，从而导致深度测量不准确。设计过程中需要使用多种策略来减少杂散光，例如优化防反射 (AR) 涂层和机械光圈、使镜头边缘和安装结构变暗，以及定制设计 BPF 以优化波长和 CRA。

以下是一些可能影响系统中杂散光的因素：

晕影

理想情况下，ToF 镜头系统中不应出现任何晕影。晕影会切断成像光线，有时可用作一种提高图像质量的技术，同时牺牲周边区域的亮度。然而，截止光线通常会在镜头系统内部反弹，容易导致杂散光问题。

增透膜

光学元件上的AR涂层可降低各表面的反射率，并能有效降低镜头反射对深度计算的影响。AR涂层应针对光源波长范围和镜头表面入射角的角度范围进行精心设计。

镜头元件数量

虽然添加更多透镜元件可以提供更多的自由来实现设计规格和更好的分辨率图像质量，但它也会增加透镜元件不可避免的背向反射，并增加复杂性和成本。

带通滤波器(BPF)

BPF 可切断环境光的影响，对于 ToF 系统至关重要。BPF 设计应根据以下参数进行定制，以获得最佳性能。

1. 镜头参数，

2. 光源参数，如带宽、标称波长公差和热漂移

3. 基板材料特性：低入射角随波长漂移或低热随波长漂移

微透镜阵列

ToF 背照式 (BSI) 传感器通常具有一层微透镜阵列，用于汇聚入射到图像传感器的光线并最大化到达像素调制区域的光子数量。微透镜的几何形状经过优化，可在光子转换为电子的像素区域内实现最高吸收率。

在许多镜头设计中，镜头的 CRA 会随着图像高度向传感器边缘的增加而增加。当 CRA 太大时，这种倾斜入射会导致像素中的吸收损失和相邻像素之间的串扰。设计或选择成像镜头时，重要的是镜头的 CRA 与其设计的微透镜阵列的规格相匹配。例如，与 ADI ToF 传感器 ADSD3100 匹配的最佳 CRA 在传感器水平和垂直边缘处约为 12°。

结论

ToF 光学器件具有实现最佳性能的独特要求。本文概述了 3D ToF 相机光学架构以及照明和成像子模块的设计指南，以帮助设计此类光学系统和/或选择子组件。对于照明子模块，关键因素是功率效率、可靠性以及光源在高调制频率和高调制对比度下驱动的能力。详细讨论了 850 nm 和 940 nm 之间的波长选择考虑因素以及如何指定照明分布。对于成像子模块，镜头设计考虑因素(包括 f/#、与微透镜规格匹配的 CRA 和杂散光控制)对于系统级性能至关重要。