ToF系统设计：深度传感架构

ToF是一种新兴的3D传感和成像技术，已在自动驾驶汽车、虚拟和增强现实、特征识别和物体尺寸标注等领域得到大量应用。ToF相机通过测量光从光源传播到场景中的物体并返回像素阵列所需的时间来获取深度图像。ADI公司的ADSD3100背照式(BSI)CMOS传感器实现的特定技术类型被称为连续波(CW)调制，这是一种间接ToF传感方法。在CW ToF相机中，来自调幅光源的光被相机视野(FOV)中的物体反向散射，测量的是发射波形和反射接收波形之间的相移。通过测量多个调制频率的相移，可以计算每个像素的深度值。相移是通过使用像素内光子混合解调，测量不同的相对延时下发射波形和接收波形之间的相关性获得的。CW ToF的概念如图1所示。

图文注释：Modulated/Pulsed LED/Laser Source脉冲调制LED激光源;Emitter Trigger发射触发;3D Date Output 3D数据输出;Sensor Control and Interface传感器控制和接口;ToF Sensor ToF传感器;Time-Resolved Pixel时间分辨像素;Target目标     

图1：ToF技术概念。 (本文图片来源：ADI)

深度传感光学系统架构

图2显示了光学系统架构。它可以分为两个主要的子模块类：成像模块(也称为接收器或Rx)和照明模块(也称为发射器或Tx)。下文将介绍每个组件的功能、ToF系统的不同要求以及相应的设计示例。

照明模块

照明模块由一个光源、一个以高调制频率驱动光源的驱动器和一个将光束从光源投射到设计照明场(FOI)的散射器组成，如图2所示。

图文注释：Diffuser散射器 ;Light Source(VCSEL+Driver)光源(VCSEL+驱动);成像光学;ToF Imager ToF成像器;lllumination Module(Tx)照明模块(Tx);Imaging Module成像模块 (Rx)

图2：ToF  示例。

光源和驱动器

ToF模块通常使用波长与温度低相关的窄带光源，包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)和边缘发射激光器(EEL)。对于ToF调制要求来说，发光二极管(LED)的速度通常太慢。近年来，VCSEL因其低成本、外形尺寸和可靠性以及易于集成到ToF模块中而越来越受欢迎。与EEL(从侧面发射)和LED(从侧面和顶部发射)相比，VCSEL发射垂直于其表面的光束，因而具有更高的生产良率和更低的制造成本。此外，可以通过使用具有特定发散度和光学参数的单个工程型散射器来实现所需的FOI。激光驱动器的优化以及印刷电路板(PCB)和光源的电气设计和布局，对于实现高调制对比度和高光功率至关重要。

光波长(850nm和940nm对比)

虽然ToF工作原理不依赖于波长(而是依赖于光速)，因此波长不会影响精度，但在某些用例中，波长的选择也会影响到系统级性能。以下是选择波长时的一些注意事项。

传感器量子效率和响应度

量子效率(QE)和响应度(R)是相互关联的。

QE测量光电探测器将光子转换为电子的能力。

R测量光电探测器将光功率转换为电流的能力。

图文注释：QE=收集到的电子数量/撞击光检测板的光子数量（%）;R=光检测板上的上的电流/光检测板上的光功率（A/W）;R=QE×q/hc/λ;其中 q 是电子电荷，h 是普朗克常数，c 是光速，λ 是波长。

通常，硅基传感器的QE在850nm处要比在940nm处好2倍以上。例如，ADICW ToF传感器在850nm处的QE是44%，在940nm处的QE只有27%。对于相同强度的照明光功率，较高的QE和R会导致更好的信噪比(SNR)，尤其是当返回传感器的光不多时(遇到远距离或低反射率物体时就是这种情况)。

人类感知

虽然人眼对近红外(NIR)波长范围内的光不敏感，但人眼可以感知850nm的光。而940nm的光人眼是看不到的。

阳光

尽管太阳辐射在光谱的可见范围内是最大的，但近红外区域的能量仍然很大。阳光(以及更普遍的环境光)会增加深度噪点并缩小ToF相机的应用范围。幸运的是，由于大气的吸收，920nm至960nm范围的太阳辐射强度有所下降，与850nm范围相比，940nm范围的太阳辐射强度还不到一半(见图3)。在户外应用中，以940nm运行ToF系统可提供更好的抗光环境干扰性能，并带来更好的深度传感性能。

图文注释：纵坐标：光谱辐射强度 ;横坐标：波长    

图3：NIR中的太阳光谱辐射强度。

辐射强度(每立体角的光功率)

光源产生恒定的光功率，并分布到由散射光学器件形成的FOI内的3D空间中。随着FOI的增加，单位球面度(sr)感受的能量(即辐射强度[W/sr])会降低。了解FOI和辐射强度之间的平衡关系非常重要，因为它们会影响ToF系统的信噪比，进而影响深度范围。

表1列出了FOI的一些示例及其对应的辐射强度，该数值已归一化为60°×45°FOI的辐射强度。请注意，辐射强度计算的是每个矩形立体角的光功率。

表1：归一化的辐射强度。

光波束轮廓指标

为了完整定义照明轮廓，应明确指定几个特征，包括轮廓形状、轮廓宽度、光学效率(即在特定FOV内的封闭能量)和FOI外的光功率下降。照明轮廓规范通常以角空间中的辐射强度加以定义。数学上表示为：

其中dΦ是入射进立体角dΩ中的功率。FOI需要匹配成像器的纵横比，因此通常是正方形或矩形。

FOI内的照明轮廓形状

ToF泛光照明中最常见的辐射强度分布呈蝙蝠翼形状。它们具有呈cos-n(θ)变化的轮廓，以补偿成像镜头的衰减(即相对照度)。图5展示了一个蝙蝠翼照明轮廓的示例。如果希望从平面目标获得成像器像素阵列上的恒定辐射强度，还应考虑目标中心和目标边缘之间辐照度(E)中的cos3(θ)下降因子[W/m2]，其定义为：

其中E是辐射照度，dA是光功率dΦ照射的表面积，R(θ)是图4中定义的光源与dA之间的距离，dΩ=dAcos(θ)/R(θ)2。

图4：辐射的分布与强度。

轮廓的宽度

轮廓的宽度决定了照明轮廓的FOI。它可以定义为半高全宽或最大强度的1/e2。为了适应成像镜头到成像器之间的错位以及散射器的容差，FOI通常被设计为略大于镜头的FOV，以避免暗像素。

轮廓的宽度是光源的强度轮廓与散射器对准直光束响应的卷积。散射器的输入发散角越宽，宽度就越宽，过渡斜率就越慢。更宽和更慢的过渡斜率会导致更多的能量落在FOI之外，从而导致光功率损失。可以使用以下两个指标来确定此类损失的可接受标准。

光学效率——成像镜头 FOV 内的封闭能量

该规范定义了成像模块将接收多少能量，定义为：

图文注释：光学效率=镜头FOV内的2D集合光功率/整个照明剖面轮廓的2D集合光功率%x散射器的传输效率

图5c说明了FOV内照明轮廓的2D积分概念。

FOI外的光功率下降

图文注释：

FOI外的光功率下降=照明轮廓的总积分- FOI内的照明轮廓积分/照明轮廓的总积分%

图文注释：lllumination Profile光辐射轮廓;成像镜头视场角(FOV);(a)辐射强度(横截面) ;(b)辐射强度(3D);(c)辐射强度(顶视图)

图5：光辐射轮廓示例。

一般来说，可以通过在光源和散射器之间设置准直透镜来减小散射器的输入角，或者选择具有较小发散角的光源来提高光学效率。

成像模块

成像模块由成像透镜组件、带通滤波器(BPF)和成像器上的微透镜阵列组成。成像器背面光学叠层的厚度和材料应针对低的背向反射进行优化。图6是成像模块的示意图。

图文注释：Imaging Lens成像透镜 ;Band-pass Filter带通滤波器;Imager成像器;Microlens Array微透镜阵列

图6：成像模块示意图。

ToF成像透镜设计注意事项

由于ToF相机采集主动照明产生的光线，因此像素阵列上光线采集的效率和均匀性极大地影响整体性能。镜头需要有很强的聚光能力、高透光率和低杂散光。以下是与传统RGB相机镜头不同的ToF镜头的设计注意事项。

光线收集效率

光线收集效率与1/(f/#)2成正比，其中f/#=(焦距)/(孔径大小)。f/#越小，效率越高。f/#小的光学系统需要权衡取舍。随着孔径尺寸的增加，会出现更多的光晕和像差，这使得光学器件的设计更具挑战性。低f/#系统也往往具有较浅的景深。

相对照度(RI)和主光线角(CRA)

RI定义为：

图文注释：

RI=传感器上的单点照度 /视场内的最大照度

在无畸变和光晕的透镜系统中，传感器照度依据(cosq)4定律下降，其中q是传感器平面上的CRA入射角。结果是图像朝向传感器边界方向相对变暗。通过在镜头系统中引入负畸变可以减少辐射照度的下降。

传感器边缘的最大CRA应根据成像器微透镜阵列规格进行优化。较小的CRA有助于缩小BPF的带宽，从而实现更好的抗环境光干扰性能。

以下示例演示了CRA和跨场的聚焦光锥尺寸(有效f/#)是如何影响RI的。图7中的示例1的透镜系统具有较大的CRA，并且随着视场角的增加成像锥逐渐减小(即f/#增加)。相应的RI随视场角显著下降，就如相应的RI图中所示。图7中的示例2表明，可以通过最小化CRA以及在视场内保持均匀的f/#来很好地保持RI。

杂散光

杂散光是系统中可以被传感器检测到的的何有害光。杂散光可以来自场源内部或外部，通过偶数次反射会形成鬼影(例如，镜头光晕)。杂散光也可以从光机结构和任何散射表面发出。ToF系统对杂散光特别敏感，因为杂散光的多径特性会导致到像素的光路长度不同，从而导致深度测量不准确。设计过程中需要使用多种策略来减少杂散光，例如优化抗反射(AR)涂层和机械孔径、使镜头边缘和安装结构变暗以及定制设计BPF以优化波长和CRA。

以下是可能影响系统中杂散光的一些因素：

光晕

理想情况下，ToF镜头系统中不应有任何光晕。光晕会切断成像光线，有时可以用来提高图像质量同时平衡周边区域的亮度。然而，切断的光线通常会在镜头系统内反弹，从而容易造成杂散光问题。

增透膜

光学元件上的增透膜可以降低各个表面的反射率，从而有效降低透镜反射对深度计算的影响。应针对光源波长范围和透镜表面入射角的角度范围仔细设计增透膜。

透镜数量

虽然增加更多的透镜可以为实现设计规格和更高分辨率的图像质量提供更大的自由度，但它也增加了来自透镜的不可避免的背向反射，并增加了复杂性和成本。

带通滤波器(BPF)

BPF 可以切断环境光的影响，对于 ToF 系统来说至关重要。为了获得最佳性能，BPF设计应针对以下参数进行裁剪：

镜头参数，例如跨场的f/#和CRA

光源参数，例如带宽、标称波长容差和热偏移

低入射角漂移与波长或低热漂移与波长的基底材料特性

微透镜阵列

ToF背照式(BSI)传感器通常有一层微透镜阵列，可将入射到图像传感器的光线汇聚起来并最大化到达像素调制区域的光子数量。微透镜的几何形状经过优化后可以在光子转化为电子的像素区域内实现最高的吸收率。

图7：相对照明示例。

在许多透镜设计中，透镜的CRA随着距传感器边缘的图像高度增加而增加，如图8所示。当CRA太大时，这种倾斜入射会导致像素中的吸收损失和相邻像素之间的串扰。设计或选择成像透镜时使透镜的CRA与设计的微透镜阵列的规格相匹配很重要。例如，与ADI ToF传感器ADSD3100匹配的最佳CRA在传感器水平和垂直边缘处约为12°。

图文注释：Image Height图像高度;Imaging Lens成像透镜;

备注：CRA：主光线角     RRA：边缘光线角

图8：成像透镜的最大CRA。

小结  

ToF光学组件要实现最佳性能需要满足一些独特的要求。本文给出了3D ToF相机光学架构以及照明和成像子模块的设计指南，这将有助于今后此类光学系统和/或选择子组件的设计。对于照明子模块，关键因素是功率效率、可靠性以及在高调制频率和高调制对比度下驱动光源的能力。还详细讨论了850nm和940nm之间的波长选择考虑，以及如何设定照明轮廓。对成像子模块而言，包括f/#、与微透镜规格相匹配的CRA、杂散光控制等透镜设计考虑因素都是影响系统级性能的关键。

(参考原文：design-depth-sensing-architecture ）

本文为《电子工程专辑》2021年4月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订