在消費電子領域，工程師利用激光雷達實現多種功能，例如面部識別和 3D 映射。

　　雖然存在大量不同的激光雷達系統實施例，但“閃光激光雷達”解決方案用于在具有固態光學元件的目標場景中生成一系列可檢測點。

　　獲得用于小型封裝的 3D 空間數據的優勢使得這種固態激光雷達系統在智能手機和平板電腦等消費電子產品中變得越來越普遍。

　　在本文中，我們將探索使用 OpticStudio 來評估構成閃光激光雷達光學系統的序列模型。

　　演示了到非序列模式的轉換，并用于插入額外的細節，例如真實世界的源屬性和散射幾何。可以創建自定義分析并在此處使用以獲取觀察場景的深度信息。利用 OpticsBuilder 為使用原生 OpticStudio 幾何結構的全閃存激光雷達系統提供外殼，使光學和光機械工程師之間能夠更快地迭代模塊的封裝。

　　閃光激光雷達系統的序列分析

　　閃光激光雷達系統的整體組成包括兩個模塊 - 一個發射模塊，用于生成撞擊場景的可檢測點，以及一個接收成像模塊，用于捕獲這些點。傳輸模塊通常由一些準直光學元件組成，用于將源光投射到遠場，以及一些衍射光學元件，以在二維空間中產生許多階次的這種投射。

　　接收模塊隨后獲得投影陣列的圖像。通常，執行一些涉及接收返回信號的時間與源生成返回信號的時間的后處理以計算飛行時間數據，從而產生場景的深度信息。

　　使用 OpticStudio，光學工程師可以設計構成閃光激光雷達系統的投影和成像光學元件。

　　對于此型號，我們設計了一個 10mm 焦距系統來校準有效面積為 1.6mm x 1.6mm 的 LED 陣列的輸出。對于產生多階投影源的衍射元件，我們使用一對相互正交的衍射光柵表面來獲得X軸和Y軸階。衍射光柵的每微米線對參數值為 0.2，當我們考慮與準直透鏡一起使用的衍射光柵對的一階和中心階時，會產生 19.39° 的場景對角線半視場。

　　為確保將完整投影成像到接收傳感器上，成像光學器件設計為具有 20° 的半視場。利用了各種優化目標，包括確保該模塊中的非球面透鏡在每個部件的整體上具有足夠的厚度（例如，足夠大的邊緣厚度以滿足安裝要求）。

　　小型成像系統包括通常用于這些系統的終覆蓋窗口。由于投影和成像模塊都旨在小型化和批量生產，因此元件由與注塑制造工藝兼容的塑料材料定義。

　　確保該階段的系統充分發揮作用的一個方面涉及評估該鏡頭的成像性能，與接收模塊需要檢測的光斑大小相比。距離發射系統 1 米處的中心場點的 RMS 光斑尺寸取自順序模型，報告為 2.089 毫米。

　　因此，使用我們的成像系統，成像光斑在焦平面上的尺寸為 6.9703e-3 mm。由于我們將此點視為理論上可能的MIN尺寸，因此這將返回MAX空間頻率要求，從而確保在大約 72 lp/mm 時有足夠的對比度。使用 FFT MTF 分析，成像鏡頭的對比度為 72.2%，我們認為這是足夠的對比度來觀察這個點。

　　使用非序列模式進行端到端激光雷達建模

　　隨著順序設計的表現令人滿意，我們通過將設計轉換為非順序模式，在 OpticStudio 中轉向完整的系統視角。這使我們能夠執行非順序光線追蹤分析。“轉換為 NSC 模式”工具可以自動轉換為非序列對應物，使我們能夠快速組合和優化模型。

　　在非序列模型中，在我們將兩個模塊合并到一個文件中后，投影光學系統的源屬性、成像系統的傳感器尺寸和分辨率以及任意場景幾何形狀都可以添加到模型中以進行實際分析。我們假設具有 1.6mm x 1.6mm 有源區域的源由 5x5 的單個二極管陣列組成，每個二極管的 X/Y 發散角為 11.5°。

　　為了演示起見，假設投影模塊上的衍射級在每個軸的 +/- 1 和中心級中具有理想的透射率。還假設來自兩個模塊的光學元件具有理想的透射率。

　　從一些簡單的幾何圖形開始，我們在 1 米外定義了一個反射朗伯散射墻，以與來自投影模塊的光相互作用。該物體產生的散射會發射到半球中，默認情況下，成像模塊的探測器平面上的信號將出現嚴重的欠采樣。我們可以使用 OpticStudio 的重要性采樣功能來緩解這種低信號問題。重要性采樣將有選擇地生成散射光線，這些光線在以非序列模型中定義的任何對象為中心的指定目標球體的方向上發射。散射光線中包含的能量會根據使用中的散射輪廓進行修改，以便它們表現出真實世界的性能。

　　這種能量衰減的結果是我們需要注意確保 OpticStudio 中的相關非序列設置被適當定義，以便在我們的成像模塊上獲得一些信號。在這種情況下，一個參數定義了可以基于在任何界面處相對于起始射線能量的出射射線能量的MIN允許閾值來追蹤哪些射線。

　　重要性采樣中的 能量衰減有時會導致子散射光線低于此閾值。但是，我們可以手動降低此值，從而在我們的成像模塊上檢測我們的投影點圖案。

　　閃光激光雷達模塊的一個關鍵分析是能夠檢索成像光學器件檢測到的每個可觀察點的定時響應。雖然沒有計算此值的本地分析功能，但 ZOS-API 可用作提取、后處理和呈現 OpticStudio 生成的數據的方法。編譯用戶分析以打開保存的射線數據庫 （。ZRD） 文件并提取落在成像探測器上的各種射線的路徑長度。使用具有一些相關幾何形狀的模擬桌子或桌面設置的場景來演示用戶分析。在非連續光線追蹤運行后，執行用戶分析，允許輸出每個投影點已行進的距離。

　　從深度圖輸出中，我們可以驗證場景中每個對象的位置信息。與桌子上的杯子（~0.9 米）和反射墻（~1 米）等物體相比，浮動球體報告的移動距離更短（~0.5 米）。

　　使用 OpticsBuilder 完成 Flash 激光雷達封裝

　　有了光學設計，開發閃光激光雷達系統的下一階段是生成機械外殼，以將光學器件固定在每個模塊內，以及用于完整激光雷達模型的整體外殼。這需要從 OpticStudio 準確轉換為光機械工程師將使用的 CAD 軟件。OpticsBuilder 通過在所選的兼容 CAD 軟件中重建原始 OpticStudio 幾何結構，實現光學工程師和光機工程師之間的無縫過渡。

　　在 OpticStudio 中，用戶可以使用 Prepare for OpticsBuilder 工具生成直接導入 OpticsBuilder 的文件。加載到 OpticsBuilder 后，將使用相同的光線追蹤引擎來模擬光學性能：

　　當工程師構建機械外殼時，他們還能夠定義光學特性，例如涂層和散射輪廓以與光線相互作用，從而快速反饋新組件對整體光學性能的影響。此外，它們可以擴展光學元件的幾何形狀，以允許添加安裝材料，而不會影響光學元件本身的設計。

　　一旦準備好進行性能驗證，工程師就可以模擬新的軌跡并比較添加外殼前后的各種指標。通過查看特定的光線集，可以在 OpticsBuilder 中實現性能問題的可視化，例如光束剪裁：

　　如果需要將此設計迭代發送給光學工程師，OpticsBuilder 允許導出可由 OpticStudio 本地讀取的文件。這將保留 OpticsBuilder 中定義的幾何和光學屬性，以便在軟件包之間進行進一步評估、反饋和重新設計：

　　結論

　　在本文中，我們探索了 Zemax OpticsStudio和OpticsBuilder 的使用表征閃光激光雷達模塊并為光學組件生成一些標稱外殼。

　　在考慮來自觀察場景的反射、散射幾何時，順序和非順序光線追蹤模式都被用來評估性能指標，例如接收模塊的圖像質量和系統的端到端性能。

　　ZOS-API 提供了一種創建自定義分析的方法，該分析將使用來自 OpticStudio 的非序列光線跟蹤數據在軟件內生成深度信息。

　　OpticsBuilder 用于為系統構建機械外殼，這使得工作流程能夠在 OpticStudio 和用于創建外殼的 CAD 軟件之間實現文件的流暢傳輸。