ToF系统设计—第2部分:飞行时间景深测量摄像头的光学设计 (tof技术应用)
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图1.ToF技术概念景深测量光学*架构图2显示了光学*架构。它可以分为两个主要子模块:成像模块(也称为*或Rx)和照明模块(也称为发射器或Tx)。下面介绍每个组件的功能、ToF*特有的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、将光束从光源投影到设计的照明区(FOI)的漫射器组成,如图2所示。图2.ToF光学*架构横截面示例光源和驱动器ToF模块通常使用波长的温度相关性较低的窄带光源,包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)和边缘发射激光器(EEL)。发光二极管(LED)一般太慢,不满足ToF调制要求。近年来,VCSEL由于成本较低、外形尺寸小、可靠性高且易于集成到ToF模块中而越来越受欢迎。与EEL(光线从侧面射出)和LED(光线从侧面和顶部射出)相比,VCSEL射出的光束垂直于其表面,故生产良率更高且制造成本更低。另外,期望的FOI可以利用单个特别开发的、具有设计的散度和光学剖面的漫射器来实现。激光驱动器的优化、印刷电路板(PCB)和光源的电气设计与布局,对于实现高调制对比度和高光功率至关重要。照明波长(nm与nm)ToF工作原理不依赖于光波长(相反,它依赖于光速),因此波长不应影响精度,但在某些使用场景中,波长的选择可能影响*级性能。下面是选择波长时的一些考虑:●传感器量子效率和响应度:量子效率(QE)和响应度(R)彼此相关。●QE衡量光电探测器将光子转换为电子的能力。●R衡量光电探测器将光功率转换为电流的能力其中,q为电子电荷,h为普朗克常数,c为光速,λ为波长。通常,硅基传感器在nm时的QE要比nm时高大约2倍或更多。例如,ADICWToF传感器在nm时的QE为%QE,在nm时为%。对于等量照明光功率,QE和R越高,则信噪比(SNR)越好,尤其是当没有多少光返回传感器时(遥远或低反射率的物体就是这种情况)。●人类感知人眼对近透视(NIR)波长范围的光不敏感,但人眼可以感知nm的光。另一方面,人眼看不到nm的光。●太阳光虽然可见光谱区域中的太阳光最强,但NIR区域中的能量仍然很大。阳光(更一般地说是环境光)会增加景深噪声,缩短ToF*头的有效距离。幸运的是,由于大气吸收,阳光辐照度在nm至nm区域中急剧下降,与nm区域相比要小一半以上(参见图3)。在室外应用中,工作在nm的ToF*可以更好地抑制环境光,实现更好的景深测量性能。图3.太阳光谱辐照度(NIR)3辐射强度(每立体角的光功率)光源产生恒定的光功率,其分布到漫射光学元件所产生的FOI内的三维空间中。随着FOI增大,每立体弧度(sr)承受的能量——即辐射强度[W/sr]——减小。了解FOI和辐射强度之间的消长关系很重要,因为这会影响ToF*的SNR,进而影响景深范围。表1列出了FOI的几个例子及其对应的辐射强度(归一化为°×°FOI的辐射强度)。注意,辐射强度计算为每个矩形立体角的光功率。表1.归一化辐射强度照明剖面规格为了全面定义照明剖面,应当清楚地指定若干特性,包括剖面形状、剖面宽度、光效率(即某个FOV内围住的能量)及FOI外的光功率衰减。照明剖面规格一般用角域中的辐射强度来定义,其数学表达式为: