Témakör: Érzékelők
Optikai tervezés repülési idejű mélységérzékelő kamerákhoz
Megjelent: 2021. október 14.
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: