2021年11月18日
从光学设计到机械封装 – 使用 Zemax OpticStudio 和 OpticsBuilder 开发闪光激光雷达(Flash Lidar) 系统
在消费电子领域，工程师们利用激光雷达实现了若干功能，如面部识别和3D绘图。虽然存在大量不同的激光雷达系统的实施方案，但 "闪光激光雷达 "解决方案的作用是用固态光学元件在目标场景中产生一个可探测点阵列。在获得三维空间数据方面的好处是可以在小尺寸的封装中使用，这使得这种固态激光雷达系统在消费电子产品中变得更加普遍，如智能手机和平板电脑。
在这篇文章中，我们将探讨使用OpticStudio来评估构成闪光激光雷达光学系统的序列模型。演示如何转换为非序列模式，并用于插入额外的细节，如现实世界的光源属性和散射几何形状。可以创建自定义分析，并在此用于获得观察场景的深度信息。最后，利用OpticsBuilder为使用OpticStudio创建的闪光激光雷达系统进行封装设计，使光学和光机工程师之间能够更快地迭代模块的封装。
闪光激光雷达系统的序列分析
闪光激光雷达系统的总体组成包括两个模块——一个发射模块，用于产生撞击场景的可探测点，一个接收成像模块，用于捕获这些点。发射模块通常由一些准直光学元件组成，用于将光源投射到远处，以及一些衍射光学元件上，用于在二维空间产生多阶投影。接收模块随后获得投影阵列的图像。
接收模块随后获得投影阵列的图像。通常情况下，会进行一些后处理，涉及接收返回信号的时间与光源产生信号的时间，以计算飞行时间数据，这将得出场景的深度信息。
使用OpticStudio，光学工程师可以设计组成闪光激光雷达系统的投影和成像光学器件。在这个模型中，我们设计了一个10毫米焦距的系统，以准直LED阵列的输出，其有效面积为1.6毫米乘1.6毫米。对于产生多阶投影的衍射元件，我们使用一对相互正交的衍射光栅表面来获得X轴和Y轴上的多阶投影。衍射光栅每微米的线对参数值为0.2，当我们考虑到与准直透镜一起使用的一对衍射光栅的第一阶和中心阶时，可以得到一个半斜角为19.39°的视场。
为了确保全部投影都能成像到接收传感器上，成像光学器件被设计为具有20°半角的视场。利用了各种优化目标，包括确保该模块中的非球面透镜在每个部分的整体上有足够的厚度（例如，足够大的边缘厚度以满足安装要求)。小尺寸成像系统包括一个通常用于这些系统的最终盖窗。由于投影和成像模块都是为了小型化和大规模生产，所以元件的定义是用与注塑制造工艺兼容的塑料材料
确保这个阶段的系统表现充分的一个方面涉及到评估这个镜头的成像性能，与接收模块需要检测的光斑大小相比。我们的中心视场点在距离发射系统1米处的RMS光斑尺寸取自序列模型，为2.089毫米。因此，在我们的成像系统中，成像点在焦平面上的尺寸为6.9703e-3 mm。由于我们把这个光斑看作是理论上可能的最小尺寸，这将返回最高的空间频率要求，即确保足够的对比度，大约为72 lp/mm。使用FFT MTF分析，成像镜头的对比度为72.2%，我们认为这是足够的对比度来观察这个光斑。
使用非序列模式进行端到端激光雷达建模
随着序列设计的性能达到令人满意的水平，我们在OpticStudio中通过将设计转换为非序列模式，转向全系统视角。这使我们能够进行非序列的光线追迹分析。“转换到NSC模式”工具能够自动过渡到非序列对应模式，使我们能够快速组合和完善模型。
在非序列模型中，在我们将两个模块合并成一个文件后，投影光学器件的光源属性、成像系统的传感器尺寸和分辨率以及任意场景的几何形状都可以被添加到模型中，用于现实世界分析。我们假设具有1.6mm x 1.6mm有效区域的光源是由5x5的独立二极管阵列组成，每个二极管的X/Y发散角为11.5°。
为了便于演示，投影模块上的衍射阶数被假定为具有理想的透射率，进入每个轴的+/-1和中心阶数。两个模块的光学元件也被假定为具有理想的透射率。
从一些简单的几何形状开始，我们在一米远的地方定义一个反射的朗伯散射墙，与来自投影模块的光线相互作用。这个物体产生的散射光线射入一个半球，默认情况下，在成像模块的检测器平面上会出现严重的信号欠采样。我们可以利用OpticStudio的重点采样功能来缓解这一低信号问题。重点采样将有选择地产生散射光线，这些光线以非序列模型中定义的任何物体为中心，向指定的目标球体方向发射。散射光线中包含的能量根据使用中的散射曲线进行修改，从而使其表现出真实的性能。
这种能量衰减的结果是，我们需要注意确保OpticStudio中的相关非序列设置得到适当定义，以便在我们的成像模块上获得一些信号。在这种情况下，一个参数定义了哪些光线可以被追踪，其依据是在任何界面上发出的光线能量相对于起始光线的能量的最低允许阈值。重点采样中的能量衰减有时会导致子散射光线低于这个阈值。然而，我们可以手动降低这个值，从而在我们的成像模块上检测我们的投影点列图案。
闪光激光雷达模块的一个关键分析是检索成像光学元件感应到的每个可观测点的定时响应的能力。虽然没有计算该值的本地分析功能，但ZOS-API可作为提取、后处理和展示OpticStudio生成的数据的一种方式。我们编制了一个用户分析，以打开保存的光线数据库（.ZRD）文件，并提取落在成像探测器上的各种光线的路径长度。一个模仿桌子或桌面设置的场景，其中有一些相关的几何图形，用来演示用户分析。在非序列的光线追迹运行后，用户分析被执行，它允许输出每个投影点所走的距离。
从深度图的输出，我们可以验证场景中每个物体的位置信息。与桌子上的杯子（约0.9米）和反射墙（约1米）等物体相比，漂浮的球体报告的移动距离较短（约0.5米）。
使用 OpticsBuilder 完成闪光激光雷达的封装
有了光学设计，开发闪光激光雷达系统的下一阶段是完成机械封装，以容纳每个模块中的光学器件，以及整个激光雷达模型的整体外壳。这需要从OpticStudio精确转换到光学工程师将使用的CAD软件。OpticsBuilder通过在所选择的兼容CAD软件中重建本地OpticStudio的几何形状，实现了光学和光机工程师之间的无缝转换。
在OpticStudio中，用户可以通过使用Prepare for OpticsBuilder工具生成一个文件，直接导入OpticsBuilder。一旦加载到OpticsBuilder中，同样的光线追迹引擎被用来模拟光学性能：
当工程师构建机械封装时，他们也将能够定义光学特性，如涂层和散射轮廓，以与光线互动，快速反馈新组件对整体光学性能的影响。此外，他们可以在光学元件上扩展几何形状，以便在不影响光学元件本身设计的情况下增加安装材料。
一旦准备好进行性能验证，工程师可以模拟一个新的追迹，并比较添加外壳前后的各种指标。性能问题的可视化，如光线遮挡，可以在OpticsBuilder中通过查看特定的光线集来完成：
最后，如果需要将此设计迭代发送给光学工程师，OpticsBuilder允许文件导出，可由OpticStudio直接读取。这将保留OpticsBuilder中定义的几何形状和光学属性，以便在软件包之间进行进一步评估、反馈和重新设计：
结论
在本文中，我们探讨了使用Zemax OpticsStudio和OpticsBuilder来建模闪光激光雷达模块的特性，并为光学元件进行外壳封装设计。当考虑到来自观察场景的反射、散射时，序列和非序列光线追迹模式都被用来评估性能指标，如接收模块的图像质量和系统的端到端性能。ZOS-API提供了一种创建自定义分析的方法，该方法将使用OpticStudio的非序列光线追迹数据在软件中生成深度信息。最后，OpticsBuilder被用来为系统构建机械封装，这使得工作流程能够在OpticStudio和用于创建外壳的CAD软件之间顺利传输文件。
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作者:
Angel Morales
光学工程师
Zemax An Ansys Company
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