Optikai tervezés repülési idejű mélységérzékelő kamerákhoz

2. rész: ToF rendszertervezés

Az optika kulcsszerepet játszik a repülési idejű (ToF) mélységérzékelő kamerákban, az optikai tervezés határozza meg a végső rendszer összetettségét, megvalósíthatóságát és teljesítményét. Ez a cikk bemutatja a mélységérzékelő optikai rendszer felépítését, és tárgyalja az egyes részmodulok optimalizálásának módját az érzékelő és a rendszer teljesítményének javítása érdekében.

A ToF egy fejlődő 3D érzékelési és képalkotási technológia, amely számos alkalmazást talált olyan területeken, mint az autonóm járművek, a virtuális és kiterjesztett valóság, a jellemzők azonosítása és a tárgyak méretezése. A ToF-kamerák mélységképeket készítenek a fénynek a fényforrástól a jelenetben lévő objektumokig és vissza a pixelcsoportig tartó útjának mérésével. Az Analog Devices ADSD3100 háttér-megvilágítású (BSI) CMOS-érzékelője által megvalósított speciális technológiát folyamatos hullámmodulációnak (CW) nevezik, amely egy közvetett ToF-érzékelési módszer. A CW ToF kamerában az amplitúdómodulált fényforrás fényét a kamera látómezejében (FOV – field of view) lévő objektumok visszaverik, és a kibocsátott és visszavert hullámforma közötti fáziseltolódást mérik. A fáziseltolódás több modulációs frekvencián történő mérésével minden egyes képponthoz kiszámítható egy mélységérték. A fáziseltolódást a kibocsátott hullámforma és a fogadott hullámforma közötti korreláció mérésével kapjuk meg különböző relatív késleltetéseknél, a pixeleken belüli fotonkeveréses demoduláció alkalmazásával. A CW ToF koncepcióját az 1. ábra mutatja.

1. ábra A ToF-technológia koncepciója

Mélységérzékelő optikai rendszer felépítése

A 2. ábra mutatja az optikai rendszer felépítését. Két fő részmodul-kategóriára bontható: képalkotó modul (más néven vevő vagy Rx) és megvilágítási modul (más néven adó vagy Tx). A következő szakaszok bemutatják az egyes összetevők funkcióját, a ToF-rendszerrel szemben támasztott követelményeket és a megfelelő tervezési példákat.

2. ábra Egy példa egy ToF optikai rendszer architektúrájának keresztmetszetére

Megvilágítási modul

A megvilágítási modul egy fényforrásból, valamint egy meghajtóból áll, amely a fényforrást magas modulációs frekvencián vezérli, és egy diffúzorból, amely a fényforrásból az optikai sugárnyalábot a tervezett megvilágítási mezőre (FOI – field of illumination) vetíti, amint azt a 2. ábra szemlélteti.

Fényforrás és meghajtó

A ToF-modulok általában keskenysávú, a hullámhossz alacsony hőmérsékletfüggésével rendelkező fényforrásokat használnak, beleértve a függőleges üregű felületetsugárzó lézereket (VCSEL) és az élsugárzó lézereket (EEL). A fénykibocsátó diódák általában túl lassúak a ToF modulációs követelményekhez. A VCSEL-ek az utóbbi években egyre népszerűbbek lettek, köszönhetőn az olcsóságuknak, méretüknek, megbízhatóságuknak, valamint a ToF-modulokba integrálhatóságuknak. Az EEL-élsugárzó lézerekkel (amelyek oldalról sugároznak) és a LED-ekkel (amelyek oldalról és felülről sugároznak) összehasonlítva a VCSEL-ek a felületükre merőleges sugarakat bocsátanak ki, és jobb kihozatallal és alacsonyabb költségekkel gyárthatók. Ezenkívül a kívánt FOI egyetlen tervezett divergenciájú és optikai profilú diffúzor alkalmazásával érhető el. A lézer meghajtó optimalizálása, valamint a nyomtatott áramköri lapok és a fényforrás elektromos tervezése és elrendezése kritikus a nagy modulációs kontraszt és a nagy optikai teljesítmény elérése érdekében.

Megvilágítási hullámhossz (850 nm vs. 940 nm)

Bár a ToF működési elve nem függ a hullámhossztól (inkább a fénysebességtől), és ezért a hullámhossz nem befolyásolhatja a pontosságot, a hullámhossz megválasztása egyes felhasználási esetekben befolyásolhatja a rendszerszintű teljesítményt. A hullámhossz kiválasztásakor az alábbiakban néhány megfontolandó szempontot ismertetünk.

• Az érzékelő kvantumhatékonysága és válaszkészsége: A kvantumhatékonyság (QE) és a válaszkészség (R) összefügg egymással.

• A QE azt méri, hogy a fotodetektor mennyire képes a fotonokat elektronokká alakítani.

• Az R a fotodetektor optikai teljesítmény elektromos árammá való átalakítási képességét méri

ahol q az elektrontöltés, h a plank-állandó, c a fénysebesség és λ a hullámhossz.

A szilíciumalapú érzékelők QE-értéke 850 nm-en általában legalább 2× jobb, mint 940 nm-en. Például az ADI CW ToF érzékelőinek QE-értéke 850 nm-en 44%, 940 nm-en pedig 27%. Azonos megvilágítási optikai teljesítmény mellett a nagyobb QE és R jobb jel-zaj arányt (SNR) eredményez, különösen akkor, ha nem sok fény jut vissza az érzékelőhöz (ami a távoli vagy alacsony fényvisszaverő képességű objektumok esetében jellemző).

• Emberi érzékelés
  Míg az emberi szem érzéketlen a közeli infravörös (NIR) hullámhossztartományban, a 850 nm-es fényt az emberi szem érzékeli. A 940 nm viszont láthatatlan az emberi szem számára.
• Napfény
  Bár a napsugárzás a spektrum látható tartományában maximális, a NIR tartományban még mindig jelentős az energia. A napfény (és általában a környezeti fény) növelheti a mélységi zajt és csökkentheti a ToF-kamera hatótávolságát. Szerencsére a légköri abszorpció miatt a napfény besugárzása a 920 nm és 960 nm közötti tartományban csökken, ahol a napfénysugárzás a 850 nm-es tartományhoz képest kevesebb mint a fele (lásd a 3. ábrát). Kültéri alkalmazásokban a ToF-rendszer 940 nm-en történő üzemeltetése jobb környezeti fénytől való védettséget biztosít, és jobb mélységérzékelési teljesítményt eredményez.

3. ábra A napsugárzás spektrális besugárzása a NIR tartományban

Sugárzási intenzitás (optikai teljesítmény térszögre vetítve)

A fényforrás állandó optikai teljesítményt hoz létre, amely a szóróoptika által létrehozott FOI-n belül egy 3D térben oszlik el. Ahogy a FOI növekszik, az egy szteradiánra (sr) jutó energia – azaz a sugárzási intenzitás [W/sr] – csökken. Fontos megérteni a FOI és a sugárzási intenzitás közötti kompromisszumokat, mivel ezek befolyásolják az SNR-t és ezáltal a ToF-rendszer mélységtartományát.
Az 1. táblázat felsorol néhány példát a FOI-ra és a 60° × 45°-os FOI sugárzási intenzitására normalizált megfelelő sugárzási intenzitásra. Megjegyzendő, hogy a sugárzási intenzitást a négyszögletes térszögre vonatkoztatott optikai teljesítményként számították ki.

1. táblázat. Normalizált sugárzási intenzitás

A megvilágítási profil specifikációi

A megvilágítási profil teljes körű meghatározásához több jellemzőt is egyértelműen meg kell határozni, beleértve a profil alakját, a profil szélességét, az optikai hatékonyságot (azaz egy bizonyos FOV-on belül zárt energiát) és az optikai teljesítménycsökkenést a FOI-n kívül. A megvilágítási profil specifikációját általában a szögtérben lévő sugárzási intenzitásban határozzák meg. Matematikailag ez a következőképpen fejezhető ki:

ahol dΦ a dΩ térszögbe sugárzott teljesítmény. A FOI-nak meg kell felelnie a képalkotó képarányának, ezért általában négyzet vagy téglalap alakú.

• A megvilágítási profil alakja a FOI belsejében
  A leggyakoribb sugárzási intenzitásprofilok a ToF fénycsóva-megvilágításban „denevérszárny” alakúak. Ezek profilja a cos-n (θ) értékben változik, hogy kompenzálja a képalkotó lencse leesését (azaz a relatív megvilágítást). Az 5. ábra egy példát mutat a „denevérszárny” megvilágítási profilra. Ha egy sík céltárgyból állandó besugárzást kívánunk elérni a képalkotó pixelsorozatán, akkor figyelembe kell vennünk a besugárzás (E) cos³ (θ) esési tényezőjét is a céltárgy közepe és a céltárgy széle között [W/m²], amely a következőképpen van meghatározva:

ahol E a besugárzási erő, dA a dΦ optikai teljesítmény által megvilágított felület, R(θ) a fényforrás és a 4. ábrán meghatározott dA közötti távolság, és dΩ = dAcos(θ)/R(θ)².

4. ábra A besugárzás eloszlása az intenzitás függvényében

• A profil szélessége
  A profil szélessége határozza meg a megvilágítási profil FOI-ját – meghatározható mint a teljes szélesség fele vagy a maximális intenzitás 1/e²-ed részeként. A képalkotó lencse és a képalkotó közötti eltérés, továbbá a diffúzor tűrése miatt a FOI-t általában úgy tervezik, hogy az objektív FOV-jánál kissé nagyobb legyen, hogy elkerüljék a sötét pixeleket.
  A profil szélessége a fényforrás intenzitásprofiljának és a diffúzor kollimált (párhuzamos) sugárra adott válaszának konvolúciója. Minél nagyobb a bemeneti divergenciaszög a diffúzorhoz képest, annál szélesebb és lassabb az átmenet meredeksége. A szélesebb és lassabb átmeneti meredekség azt eredményezi, hogy több energia esik a FOI-n kívülre, ami optikai teljesítményveszteséget okoz. Az ilyen veszteség elfogadási kritériuma a következő két követelmény segítségével határozható meg.
• Optikai hatékonyság – a képalkotó lencse FOV-ján belül zárt energia. Ez a specifikáció határozza meg, hogy mennyi energiát kap a képalkotó modul, és az a következőkkel van megadva:

Az 5. ábra a megvilágítási profil FOV-on belüli 2D integrációjának koncepcióját szemlélteti.

5. ábra Egy példa a megvilágítási profilra

• Optikai teljesítménycsökkenés a FOI-n kívül

Általában az optikai hatásfok javítható a fényforrás és a diffúzor közötti kollimátor lencsével, amely csökkenti a diffúzorba belépő szöget, vagy kisebb divergenciaszögű fényforrás kiválasztásával.

Képalkotó modul

A képalkotó modul egy képalkotó lencseegységből, egy sávszűrőből (BPF) és egy képalkotó mikrolencsetömbből áll. A képalkotó hátsó optikai halmazának vastagságát és anyagát az alacsony visszaverődés érdekében kell optimalizálni. A 6. ábra a képalkotó modul illusztrációját mutatja.

6. ábra A képalkotó modul illusztrációja

ToF képalkotó objektívek tervezési szempontjai

Mivel a ToF-kamera aktív megvilágítással generált fényt gyűjt, a fénygyűjtés hatékonysága és egyenletessége a képponttömbön nagyban befolyásolja az általános teljesítményt. A lencsének erős gyűjtőerővel, nagy áteresztőképességgel és alacsony szórt fénymennyiséggel kell rendelkeznie. Az alábbiakban a ToF objektívek tervezési szempontjai következnek, amelyek eltérnek a hagyományos RGB-kamera objektívektől.

• Fénygyűjtési hatékonyság
  A fénygyűjtési hatékonyság arányos 1/(f/#)²-vel, ahol f/# = fókusztávolság/(rekeszméret). Minél kisebb az f/#, annál jobb a hatékonyság. A kis f/# optikai rendszerrel kapcsolatban vannak bizonyos kompromisszumok. A rekeszméret növekedésével több vignettálás és aberráció jelentkezik, ami az optika tervezését nehezebbé teszi. Az alacsony f/# rendszer általában kisebb mélységélességgel is rendelkezik.
• Relatív megvilágítás (RI) és fősugár szöge (CRA)
  Az RI a következőképpen van meghatározva:

A szenzor megvilágítottsága a (cos q)⁴ törvény alapján csökken egy torzítás- és vignettálásmentes lencserendszerben, ahol q a CRA beesési szöge a szenzor síkján. Az eredmény a kép relatív sötétedése az érzékelő határa felé. A besugárzás csökkenése minimalizálható a lencserendszer negatív torzításának bevezetésével. Az érzékelő szélén a maximális CRA-t a képalkotó mikrolencsetömb specifikációja alapján kell optimalizálni. A kisebb CRA segít szűkíteni a BPF sávszélességét a jobb környezeti fénytől való mentesség elérése érdekében.
A következő példák azt mutatják, hogy a CRA és a fókuszált fotoreceptorok mérete (effektív f/#) a mezőben hogyan befolyásolja az RI-t. A 7. ábrán látható 1. példa lencserendszere nagyobb CRA-val és a mezőszög növekedésével fokozatosan csökkenő képalkotó receptorokkal (azaz növekvő f/#) rendelkezik. A megfelelő RI jelentősen csökken a térszöggel, amint azt a megfelelő RI-diagram mutatja. A 7. ábrán látható 2. példa azt mutatja, hogy az RI jól tartható a CRA minimalizálásával, valamint a mezőben egyenletes f/# megtartásával.

7. ábra Relatív megvilágítási példák

• Kóbor fény
  A kóbor fény a rendszerben lévő minden nem szándékos érzékelhető fény. A kóbor fény származhat a képmezőn belüli vagy kívüli forrásokból, amelyek egyenletes számú visszaverődések révén szellemképet alkotnak (például lencsevillanás). Kóbor fény származhat optikai-mechanikai szerkezetekből és bármilyen szórófelületből is. A ToF-rendszerek különösen érzékenyek a szórt fényre, mivel a szórt fény többutas jellege különböző optikai úthosszúságokkal járul hozzá egy pixelhez, ami mélységmérési pontatlanságokhoz vezet. A tervezési folyamat során több stratégiát kell alkalmazni a szórt fény csökkentésére, például a tükröződésgátló (AR) bevonat és a mechanikai apertúra optimalizálását, a lencse széleinek és a rögzítőszerkezeteknek a sötétítését, valamint a sávszűrő egyedi tervezését a hullámhossz és a CRA optimalizálása érdekében.

Az alábbiakban néhány olyan elemet mutatunk be, amelyek hatással lehetnek a rendszerben lévő szórt fényre:

• Vignettálás (a kép széleinek sötétedése a középponthoz viszonyítva) 
Ideális esetben egy ToF-lencserendszerben nem lehet vignettálás. A vignettálás elvágja a képalkotó sugarakat, és néha technikaként használják a képminőség növelésére, miközben a perifériás mezők fényerejével kereskednek. A levágott sugarak azonban gyakran visszaverődnek a lencserendszeren belül, és hajlamosak kóbor fényproblémákat okozni.

• Tükröződésgátló, antireflex-bevonat
Az optikai elemeken lévő AR-bevonat csökkenti az egyes felületek fényvisszaverő képességét, és hatékonyan csökkentheti a lencse visszaverődésének hatását a mélységszámításra. Az AR-bevonatokat gondosan meg kell tervezni a fényforrás hullámhossztartományához és a lencsefelületekre beeső szögek szögtartományához.

• A lencsetagok száma
Bár a több lencsetag hozzáadása nagyobb szabadságot biztosít a tervezési specifikációk eléréséhez és jobb képminőséget a felbontás tekintetében, növeli a lencsetagok elkerülhetetlen visszaverődését, valamint növeli a bonyolultságot és a költségeket.

• Sávszűrő (BPF)
A BPF levágja a környezeti fény hozzájárulását, és elengedhetetlen a ToF-rendszereknél. A BPF kialakítását a következő paraméterekhez kell igazítani a legjobb teljesítmény elérése érdekében:

a) Objektív paraméterek, mint például f/# és CRA a mezőben,

b) fényforrás-paraméterek, például sávszélesség, névleges hullámhossztűrés és termikus eltolódás,

c) a szubsztrát anyagának tulajdonságai az alacsony beesési szögeltolódás a hullámhossz függvényében vagy az alacsony termikus eltolódás a hullámhossz függvényében.

• Mikrolencsetömb
A ToF háttér-megvilágítású (BSI) érzékelő általában egy réteg mikrolencsetömböt tartalmaz, amely konvergálja a képérzékelőre érkező sugarakat, és maximalizálja a pixel modulációs területére érkező fotonok számát. A mikrolencse geometriáját úgy optimalizálják, hogy a legnagyobb abszorpciót érjék el a pixel területén belül, ahol a fotonok elektronokká alakulnak át.
Számos lencsetervezésben a lencse CRA-értéke nő, ahogy a képmagasság az érzékelő széle felé halad, amint azt a 8. ábra mutatja. Ez a ferde beesés abszorpciós veszteséghez vezet a pixelben és a szomszédos pixelek közötti áthalláshoz, ha a CRA túl nagy. Fontos, hogy a képalkotó lencsét úgy tervezzük vagy válasszuk meg, hogy a lencse CRA értéke megfeleljen a tervezett mikrolencsetömb specifikációinak. Például az ADI ToF ADSD3100 érzékelőhöz illeszkedő optimális CRA az érzékelő vízszintes és függőleges széleinél körülbelül 12°.

8. ábra Egy képalkotó lencse maximális CRA értéke

Következtetés

A ToF-optikáknak egyedi követelményekkel kell rendelkezniük az optimális teljesítmény eléréséhez. Ez a cikk áttekintést nyújt egy 3D ToF kamera optikai felépítéséről, valamint a megvilágítási és képalkotási almodulok tervezési irányelveiről, hogy segítsen hasonló optikai rendszerek tervezésében és/vagy az alkomponensek kiválasztásában.
A megvilágítási almodul esetében a legfontosabb tényezők az energiahatékonyság, a megbízhatóság és a fényforrás nagy modulációs frekvencián, nagy modulációs kontraszt mellett történő működtetésének képessége. Részletesen tárgyaljuk a 850 nm és 940 nm közötti hullámhossz kiválasztásának megfontolását, valamint a megvilágítási profilok meghatározásának módját.
A képalkotó almodul esetében a lencsetervezési megfontolások, köztük az f/#, a mikrolencse specifikációjával megegyező CRA és a szórt fény szabályozása kritikus fontosságúak a rendszerszintű teljesítmény szempontjából.

A szerzőről

Tzu-Yu Wu az Analog Devices vezető optikai tervezőmérnöke. Mielőtt az ADI-hoz csatlakozott, a Canon U.S.A.-nál dolgozott fejlett orvosi képalkotó rendszerek, például ultraminiatűr endoszkópok, valamint szív- és érrendszeri képalkotó katéterek fejlesztésén. Az Arizonai Egyetemen szerzett doktori és mesteri fokozatot optikai tudományokból, valamint a Nemzeti Tajvani Egyetemen fizikából. Doktori kutatásai olyan nagy felbontású képalkotó eszközök fejlesztésére összpontosítottak, amelyek minimális invazív eljárásokkal lehetővé teszik a korai stádiumú rák gyors felismerését. A Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát. címen érhető el.

További műszaki és kereskedelmi információkat az Analog Devices hivatalos hazai forgalmazójától, az Arrow Electronics Hungary-től kaphatnak.

Szerző: Tzu-Yu Wu – Vezető optikai tervezőmérnök

Arrow Electronics Hungary
1138 Budapest, Váci út 140.

Bihari Tamás, Senior Field Application Engineer
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
Tel.: +36 30 748 0457
www.arrow.com