【導(dǎo)讀】光學(xué)器件在飛行時間(ToF)景深測量攝像頭中起著關(guān)鍵作用，光學(xué)設(shè)計決定了最終系統(tǒng)的復(fù)雜性和可行性及其性能。3D ToF攝像頭有一些獨(dú)特的特性1 ，因此其在光學(xué)方面有一些特殊要求。本文介紹景深測量光學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)，其由成像光學(xué)子組件、接收器上的ToF傳感器和發(fā)射器上的照明模塊組成，并討論如何優(yōu)化每個子模塊以提高傳感器和系統(tǒng)性能。
簡介
ToF是一種新興3D檢測和成像技術(shù)，廣泛應(yīng)用于自動駕駛車輛、虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、特征識別、物體尺寸標(biāo)注等領(lǐng)域。ToF攝像頭通過測量光線從光源行進(jìn)到場景中的物體再返回像素陣列所需的時間來獲取景深圖像。ADI公司的 ADSD3100 背光照明(BSI) CMOS傳感器實(shí)現(xiàn)的特定技術(shù)稱為連續(xù)波(CW)調(diào)制，它是一種間接ToF檢測方法。在CW ToF攝像頭中，來自幅度調(diào)制光源的光線被攝像頭視場(FOV)中的物體反向散射，然后測量發(fā)射波形和反射波形之間的相移。通過測量多個調(diào)制頻率下的相移，便可計算每個像素的景深值。利用像素內(nèi)光子混合解調(diào)，測量不同相對延遲下發(fā)射波形與接收波形之間的相關(guān)性，可以獲得相移2。CW ToF的概念如圖1所示。
圖1.ToF技術(shù)概念
景深測量光學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)
圖2顯示了光學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)。它可以分為兩個主要子模塊：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）。下面介紹每個組件的功能、ToF系統(tǒng)特有的要求以及相應(yīng)的設(shè)計示例。
照明模塊
照明模塊由光源、以高調(diào)制頻率驅(qū)動光源的驅(qū)動器、將光束從光源投影到設(shè)計的照明區(qū)(FOI)的漫射器組成，如圖2所示。
圖2.ToF光學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)橫截面示例
光源和驅(qū)動器
ToF模塊通常使用波長的溫度相關(guān)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)一般太慢，不滿足ToF調(diào)制要求。近年來，VCSEL由于成本較低、外形尺寸小、可靠性高且易于集成到ToF模塊中而越來越受歡迎。與EEL（光線從側(cè)面射出）和LED（光線從側(cè)面和頂部射出）相比，VCSEL射出的光束垂直于其表面，故生產(chǎn)良率更高且制造成本更低。另外，期望的FOI可以利用單個特別開發(fā)的、具有設(shè)計的散度和光學(xué)剖面的漫射器來實(shí)現(xiàn)。激光驅(qū)動器的優(yōu)化、印刷電路板(PCB)和光源的電氣設(shè)計與布局，對于實(shí)現(xiàn)高調(diào)制對比度和高光功率至關(guān)重要。
照明波長（850 nm與940 nm）
ToF工作原理不依賴于光波長（相反，它依賴于光速），因此波長不應(yīng)影響精度，但在某些使用場景中，波長的選擇可能影響系統(tǒng)級性能。下面是選擇波長時的一些考慮：
● 傳感器量子效率和響應(yīng)度：
量子效率(QE)和響應(yīng)度(R)彼此相關(guān)。
● QE衡量光電探測器將光子轉(zhuǎn)換為電子的能力。
● R衡量光電探測器將光功率轉(zhuǎn)換為電流的能力
其中，q為電子電荷，h為普朗克常數(shù)，c為光速，λ為波長。
通常，硅基傳感器在850 nm時的QE要比940 nm時高大約2倍或更多。例如，ADI CW ToF傳感器在850 nm時的QE為44% QE，在940 nm時為27%。對于等量照明光功率，QE和R越高，則信噪比(SNR)越好，尤其是當(dāng)沒有多少光返回傳感器時（遙遠(yuǎn)或低反射率的物體就是這種情況）。
● 人類感知
人眼對近紅外(NIR)波長范圍的光不敏感，但人眼可以感知850 nm的光。另一方面，人眼看不到940 nm的光。
● 太陽光
雖然可見光譜區(qū)域中的太陽光最強(qiáng)，但NIR區(qū)域中的能量仍然很大。陽光（更一般地說是環(huán)境光）會增加景深噪聲，縮短ToF攝像頭的有效距離。幸運(yùn)的是，由于大氣吸收，陽光輻照度在920 nm至960 nm區(qū)域中急劇下降，與850 nm區(qū)域相比要小一半以上（參見圖3）。在室外應(yīng)用中，工作在940 nm的ToF系統(tǒng)可以更好地抑制環(huán)境光，實(shí)現(xiàn)更好的景深測量性能。
圖3.太陽光譜輻照度(NIR)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，其分布到漫射光學(xué)元件所產(chǎn)生的FOI內(nèi)的三維空間中。隨著FOI增大，每立體弧度(sr)承受的能量——即輻射強(qiáng)度[W/sr]——減小。了解FOI和輻射強(qiáng)度之間的消長關(guān)系很重要，因?yàn)檫@會影響ToF系統(tǒng)的SNR，進(jìn)而影響景深范圍。
表1列出了FOI的幾個例子及其對應(yīng)的輻射強(qiáng)度（歸一化為60°×45°FOI的輻射強(qiáng)度）。注意，輻射強(qiáng)度計算為每個矩形立體角的光功率。
表1.歸一化輻射強(qiáng)度
照明剖面規(guī)格
為了全面定義照明剖面，應(yīng)當(dāng)清楚地指定若干特性，包括剖面形狀、剖面寬度、光效率（即某個FOV內(nèi)圍住的能量）及FOI外的光功率衰減。照明剖面規(guī)格一般用角域中的輻射強(qiáng)度來定義，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
其中dφ為射入立體角dω的功率。FOI需要匹配成像器的縱橫比，因此一般是正方形或矩形。
● FOI內(nèi)的照明剖面形狀
ToF泛光照明的最常見輻射強(qiáng)度剖面呈蝙蝠翼形狀，其剖面以cos-n(θ)變化，以補(bǔ)償成像透鏡的衰減（即相對照度）。圖5顯示了蝙蝠翼形照明剖面的例子。如果希望一個平坦目標(biāo)在成像器的像素陣列上實(shí)現(xiàn)恒定輻照度，則還應(yīng)考慮目標(biāo)中心與目標(biāo)邊緣之間的輻照度(E)以cos3(θ)的衰減因子衰減[W/m2]，定義如下：
其中，E為輻照度，dA為光功率dφ照射的表面積，R(θ)為圖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
● 剖面寬度
剖面的寬度決定照明剖面的FOI。它可以定義為最大強(qiáng)度的全寬半峰或1/e2。為了適應(yīng)成像透鏡與成像器之間的對準(zhǔn)誤差以及漫射器的容差，F(xiàn)OI一般設(shè)計成略大于透鏡的FOV，以避免暗像素。
剖面的寬度是光源的強(qiáng)度剖面到漫散器對準(zhǔn)直光束的響應(yīng)的卷積。漫射器的輸入散度角越寬，則剖面寬度越寬，過渡斜坡越慢。更寬且更慢的過渡斜坡會導(dǎo)致更多能量落在FOI外部，造成光功率損耗。這種損耗的接受標(biāo)準(zhǔn)可以利用以下兩個要求指定。
● 光效率——成像透鏡FOV內(nèi)圍住的能量
該規(guī)格定義成像模塊將收到多少能量，規(guī)定如下：
圖5c顯示了FOV內(nèi)的照明剖面的二維積分的概念。
● FOI外的光功率衰減
圖5.照明剖面示例
一般來說，在光源和漫射器之間設(shè)置一個準(zhǔn)直透鏡以減小漫射器的輸入角度，或者選擇散度角更小的光源，可以改善光效率。
成像模塊
成像模塊由成像透鏡組件、帶通濾波器(BPF)和成像器上的微透鏡陣列組成。成像器上的背面光學(xué)堆疊的厚度和材料應(yīng)優(yōu)化，以降低背反射。圖6為成像模塊的插圖。
圖6.成像模塊插圖
ToF成像透鏡設(shè)計考慮
ToF攝像頭收集主動照明產(chǎn)生的光，因此像素陣列上光收集的效率和均勻性對整體性能有重大影響。透鏡需要具有強(qiáng)收集能力、高透射性和低雜散光。以下是ToF透鏡的設(shè)計考慮因素，其與傳統(tǒng)的RGB攝像頭透鏡不同。
● 光收集效率
光收集效率與1/(f/#)2成比例，其中f/# = (焦距)/(孔徑大小)。f/#越小，效率越高。小f/#光學(xué)系統(tǒng)有利也有弊。當(dāng)孔徑增大時，暗角和像差往往更大，使得光學(xué)元件更難以設(shè)計。小f/#系統(tǒng)的景深往往較淺。
● 相對照度(RI)和主光角(CRA)
RI定義為：
在無失真、無暗角的透鏡系統(tǒng)中，傳感器照度以(cos q)4定律減小，其中q為傳感器平面上的CRA入射角。結(jié)果是越趨向傳感器邊界，圖像相對越暗。在透鏡系統(tǒng)中引入負(fù)失真，可以減少輻照度衰減。
傳感器邊緣處的最大CRA應(yīng)基于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，從而實(shí)現(xiàn)更好的環(huán)境光抑制。
以下例子展示了CRA和視場上的聚焦光錐尺寸如何影響RI。隨著場角增大，圖7中示例1的透鏡系統(tǒng)具有更大的CRA和逐漸減小的成像錐（即更大的f/#）。相應(yīng)的RI隨著場角顯著下降，如相應(yīng)的RI圖所示。圖7中的示例2表明，使CRA最小化并讓視場上的f/#保持均勻，便可很好地維持RI。
● 雜散光
雜散光是系統(tǒng)中可以由傳感器檢測到的意料之外的光。雜散光可以來自場內(nèi)或場外源，其通過偶數(shù)次反射形成"鬼影"（例如透鏡光斑）。雜散光也可以從光機(jī)械結(jié)構(gòu)和任何散射表面散發(fā)出來。ToF系統(tǒng)對雜散光特別敏感，因?yàn)殡s散光的多路徑特性會對一個像素產(chǎn)生不同的光路長度，導(dǎo)致景深測量不準(zhǔn)確。設(shè)計過程中需要采取多種策略來減少雜散光，例如：抗反射(AR)鍍膜和機(jī)械孔徑的優(yōu)化，使透鏡邊緣和安裝結(jié)構(gòu)變暗，以及定制設(shè)計BPF以優(yōu)化波長和CRA。
以下是可能影響系統(tǒng)中的雜散光的一些物品：
● 暗角
理想情況下，ToF透鏡系統(tǒng)中不應(yīng)該有任何暗角。暗角會截斷成像光線，有時用作提高圖像質(zhì)量的技術(shù)，但外圍視場的亮度會受影響。然而，截斷的光線常常在透鏡系統(tǒng)內(nèi)反彈，往往會引起雜散光問題。
● AR鍍膜
光學(xué)元件上的AR鍍膜可降低每個表面的反射率，并且能有效降低透鏡反射對景深計算的影響。應(yīng)針對光源波長范圍和透鏡表面上入射角的角度范圍仔細(xì)設(shè)計AR鍍膜。
● 透鏡元件數(shù)量
雖然增加更多透鏡元件可以為實(shí)現(xiàn)設(shè)計規(guī)格和更好的圖像質(zhì)量（就分辨率而言）提供更大的自由度，但這也會帶來不可避免的背反射，并且提高復(fù)雜性和成本。
● 帶通濾波器(BPF)
BPF會截斷環(huán)境光貢獻(xiàn)，對于ToF系統(tǒng)至關(guān)重要。BPF設(shè)計應(yīng)根據(jù)以下參數(shù)量身定制，以便擁有出色性能。
透鏡參數(shù)，例如視場上的f/#和CRA
光源參數(shù)，例如帶寬、標(biāo)稱波長容差和熱漂移
襯底材料特性，相對于波長的低入射角漂移或低熱漂移
● 微透鏡陣列
ToF背光照明(BSI)傳感器一般具有一個微透鏡陣列層，它會匯聚入射到圖像傳感器的光線，使到達(dá)像素調(diào)制區(qū)域的光子數(shù)量最大化。微透鏡的幾何形狀經(jīng)過優(yōu)化，以在光子轉(zhuǎn)換為電子的像素區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)最高吸收。
圖7.相對照度示例
在許多透鏡設(shè)計中，越靠近傳感器的邊緣，圖像高度越高，透鏡的CRA隨之增大，如圖8所示。當(dāng)CRA過大時，偏斜入射會導(dǎo)致像素的吸收損耗和相鄰像素之間的串?dāng)_。設(shè)計或選擇成像透鏡時，應(yīng)使透鏡的CRA與微透鏡陣列的設(shè)計規(guī)格匹配，這點(diǎn)很重要。例如，在傳感器的水平和垂直邊緣，與ADI ToF傳感器ADSD3100匹配的最佳CRA約為12°。
圖8.成像透鏡的最大CRA
結(jié)論
為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化性能，ToF光學(xué)元件具有獨(dú)特的要求。本文概述了3D ToF攝像頭光學(xué)架構(gòu)以及照明和成像子模塊的設(shè)計指南，以幫助設(shè)計這種光學(xué)系統(tǒng)和/或選擇子組件。對于照明子模塊，關(guān)鍵因素有功率效率、可靠性和在高調(diào)制頻率下以高調(diào)制對比度驅(qū)動光源的能力。本文詳細(xì)討論了850 nm和940 nm的波長選擇考慮，以及如何指定照明剖面。對于成像子模塊，透鏡設(shè)計考慮因素包括f/#、與微透鏡規(guī)格相匹配的CRA和雜散光控制，這些因素對于系統(tǒng)級性能至關(guān)重要。
參考電路
1 Paul O’Sullivan和Nicolas Le Dortz?！帮w行時間系統(tǒng)設(shè)計—第1部分：系統(tǒng)概述” ?！赌M對話》，第55卷第3期，2021年7月。
2 Cyrus S. Bamji、Swati Mehta、Barry Thompson、Tamer Elkhatib、Stefan Wurster、Onur Akkaya、Andrew Payne、John Godbaz、Mike Fenton、Vijay Rajasekaran、Larry Prather、Satya Nagaraja、Vishali Mogallapu、Dane Snow、Rich McCauley、Mustansir Mukadam、Iskender Agi、Shaun McCarthy、Zhanping Xu、Travis Perry、William Qian、Vei-Han Chan、Prabhu Adepu、Gazi Ali、Muneeb Ahmed、Aditya Mukherjee、Sheethal Nayak、Dave Gampell、Sunil Acharya、Lou Kordus和Pat O’Connor。 “擁有3μm全域快門像素和模擬儲存技術(shù)的IMpixel 65nm BSI 320MHz解調(diào)TOF圖像傳感器(IMpixel 65nm BSI 320MHz demodulated TOF Image sensor with 3μm global shutter pixels and analog binning)”。2018年IEEE國際固態(tài)電路會議(ISSCC)，2018年2月。
3 “參考空氣質(zhì)量1.5光譜(Reference Air Mass 1.5 Spectra)” 。 國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室。
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