Công nghiệp ô tô

Thiết kế hệ thống phần 2: thiết kế quang học cho cảm biến độ sâu theo Time of Flight (ToF)

Tzu-Yu Wu, Kỹ sư thiết kế quang học cao cấp

Hãy tưởng tượng

Quang học đóng một vai trò quan trọng trong máy ảnh cảm biến độ sâu time of flight (ToF) và thiết kế quang học quyết định độ phức tạp và tính khả thi của hệ thống cuối cùng và thực thi của nó. Máy ảnh 3D ToF có một số đặc điểm riêng biệt nhất định1 thúc đẩy các yêu cầu quang học đặc biệt. Bài viết này trình bày kiến ​​trúc hệ thống quang học cảm biến độ sâu — bao gồm cụm phụ quang học hình ảnh, cảm biến ToF trên máy thu và mô-đun chiếu sáng trên máy phát — và thảo luận về cách tối ưu hóa từng mô-đun phụ để cải thiện cảm biến và việc thực thi của hệ thống. 

Giới thiệu

ToF là một công nghệ cảm biến và hình ảnh 3D mới nổi đã được tìm thấy rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như xe tự hành, thực tế ảo và tương tác hiện thực, nhận dạng đặc điểm và đo kích thước đối tượng. Máy ảnh ToF thu được hình ảnh có độ sâu bằng cách đo thời gian ánh sáng truyền từ nguồn sáng đến các vật thể trong cảnh và quay trở lại mảng pixel. Loại công nghệ cụ thể mà cảm biến CMOS chiếu sáng mặt sa u (BSI) của Analog Devices’ ADSD3100 triển khai được gọi là điều chế sóng liên tục (CW), là một phương pháp cảm biến ToF gián tiếp. Trong máy ảnh CW ToF, ánh sáng từ nguồn sáng được điều chế biên độ bị tán xạ ngược bởi các vật thể trong trường nhìn của máy ảnh (FOV) và đo độ lệch pha giữa dạng sóng phát ra và dạng sóng phản xạ. Bằng cách đo độ lệch pha ở nhiều tần số điều chế, người ta có thể tính toán giá trị độ sâu cho mỗi pixel. Sự dịch pha thu được bằng cách đo lường mối tương quan giữa dạng sóng phát ra và dạng sóng nhận ở các độ trễ tương đối khác nhau bằng cách sử dụng giải điều chế trộn photon trong pixel 2. Khái niệm về CW ToF được thể hiện trong Hình 1.

Hình 1. Khái niệm về công nghệ ToF

Kiến trúc hệ thống quang học cảm biến độ sâu

Hình 2 cho thấy kiến ​​trúc hệ thống quang học. Nó có thể được chia thành hai loại mô-đun phụ chính: mô-đun hình ảnh (còn được gọi là máy thu hoặc Rx) và mô-đun chiếu sáng (còn được gọi là máy phát hoặc Tx). Các phần sau đây giới thiệu chức năng của từng thành phần, các yêu cầu khác biệt đối với hệ thống ToF và các ví dụ thiết kế tương ứng.

Môđun chiếu sáng

Mô-đun chiếu sáng bao gồm nguồn sáng, trình điều khiển điều khiển nguồn sáng ở tần số điều chế cao và bộ khuếch tán chiếu chùm tia quang học từ nguồn sáng đến trường chiếu sáng được thiết kế (FOI), như minh họa trong Hình 2.

Hình 2. Một ví dụ về mặt cắt kiến ​​trúc hệ thống quang ToF 

Nguồn sáng và trình điều khiển

Các mô-đun ToF thường sử dụng các nguồn sáng có dải tần hẹp với sự phụ thuộc vào nhiệt độ thấp của bước sóng, bao gồm các tia laser phát ra bề mặt khoang dọc (VCSEL) và laser phát ra cạnh (EEL). Đi ốt phát quang (đèn LED) nói chung quá chậm đối với các yêu cầu điều chế ToF. VCSELs đã trở nên phổ biến hơn trong những năm gần đây do chi phí thấp hơn, yếu tố hình thức và độ tin cậy của chúng, cùng với việc dễ dàng tích hợp vào các mô-đun ToF. So với EEL (phát ra từ bên cạnh) và đèn LED (phát ra từ hai bên và trên cùng), VCSEL phát ra chùm tia vuông góc với bề mặt của chúng, mang lại năng suất sản xuất tốt hơn và chi phí chế tạo thấp hơn. Ngoài ra, FOI mong muốn có thể đạt được bằng cách sử dụng một bộ khuếch tán được thiết kế riêng với cấu hình quang học và phân kỳ được thiết kế. Việc tối ưu hóa trình điều khiển laser, cũng như thiết kế và bố trí điện của bảng mạch in (PCB) và nguồn sáng là cực kỳ quan trọng để đạt được độ tương phản điều chế cao và công suất quang học cao. 

Bước sóng chiếu sáng (850 nm vs. 940 nm)

Trong khi nguyên tắc hoạt động của ToF không phụ thuộc vào bước sóng (đúng hơn là phụ thuộc vào tốc độ ánh sáng) và do đó bước sóng không được ảnh hưởng đến độ chính xác, việc lựa chọn bước sóng có thể ảnh hưởng đến thực thi cấp hệ thống trong một số trường hợp sử dụng. Sau đây là một số lưu ý khi chọn bước sóng.

Hiệu suất lượng tử và độ phản hồi của cảm biến:

Hiệu suất lượng tử (QE) và phản ứng (R) được liên kết với nhau.

■ QE đo khả năng chuyển đổi photon thành electron của bộ tách sóng quang.

■ R đo khả năng chuyển đổi quang năng thành dòng điện của bộ tách sóng quang

Trong đó q là điện tích electron, h là hằng số  plank, c là tốc độ ánh sáng và λ là bước sóng.

Thông thường, QE của cảm biến dựa trên silicon cao hơn khoảng 2 lần hoặc hơn ở 850 nm so với ở 940 nm. Ví dụ, cảm biến ADI CW ToF có 44% QE ở 850 nm và 27% QE ở 940 nm. Đối với cùng một lượng công suất quang chiếu sáng, QE và R cao hơn dẫn đến tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) tốt hơn, đặc biệt khi không có nhiều ánh sáng quay trở lại cảm biến (trường hợp này đối với các đối tượng ở xa hoặc có độ phản xạ thấp).

  • Nhận thức của con người

Trong khi mắt người không nhạy trong phạm vi bước sóng hồng ngoại gần (NIR), thì mắt người có thể cảm nhận được ánh sáng ở bước sóng 850 nm. Mặt khác, mắt người không nhìn thấy được 940 nm.

  • Ánh sáng mặt trời

Phát sáng của mặt trời là cực đại trong vùng khả kiến ​​của quang phổ, năng lượng trong vùng NIR vẫn còn đáng kể. Ánh sáng mặt trời (và ánh sáng xung quanh nói chung hơn) có thể làm tăng nhiễu độ sâu và giảm phạm vi của máy ảnh ToF. May mắn thay, do sự hấp thụ của khí quyển, có sự giảm bức xạ ánh sáng mặt trời trong vùng 920 nm đến 960 nm, nơi bức xạ mặt trời nhỏ hơn một nửa so với vùng 850 nm (xem Hình 3). Trong các ứng dụng ngoài trời, vận hành hệ thống ToF ở bước sóng 940 nm cung cấp khả năng miễn nhiễm ánh sáng xung quanh tốt hơn và dẫn đến hiệu suất cảm biến độ sâu việc thực hiện.

Hình 3. Bức xạ quang phổ mặt trời trong NIR3

Cường độ bức xạ (Công suất quang học trên mỗi góc khối)

Nguồn sáng tạo ra công suất quang học không đổi được phân phối vào không gian 3 chiều trong FOI được tạo ra bởi quang học khuếch tán. Khi FOI tăng, năng lượng duy trì trên mỗi steradian (sr) —đó là, cường độ bức xạ [W / sr] —giảm . Điều quan trọng là phải hiểu sự cân bằng giữa FOI và cường độ bức xạ khi chúng ảnh hưởng đến SNR, và do đó là phạm vi độ sâu, của hệ thống ToF.

Bảng 1 liệt kê một vài ví dụ về FOI và cường độ bức xạ tương ứng của chúng được chuẩn hóa thành cường độ bức xạ của FOI 60 ° × 45 °. Lưu ý rằng cường độ bức xạ được tính bằng công suất quang trên mỗi góc hình chữ nhật.

Bảng 1. Cường độ bức xạ chuẩn hoá

Case

Horizontal FOI Vertical FOI Normalized Radiant Intensity

1

60° 45° 100%

2

52° 52° 100%
3 60° 60°

76%

4 72° 58°

67%

5 78° 65°

56%

Thông số kỹ thuật cấu hình chiếu sáng

Để xác định đầy đủ cấu hình chiếu sáng, một số đặc điểm cần được chỉ định rõ ràng bao gồm hình dạng cấu hình, chiều rộng cấu hình, hiệu suất quang học (nghĩa là năng lượng kèm theo trong một FOV nhất định) và công suất quang bên ngoài FOI. Thông số kỹ thuật cấu hình chiếu sáng thường được xác định bằng cường độ bức xạ trong không gian góc. Về mặt toán học, nó được biểu thị như sau:

trong đó dΦ là công suất phát vào góc rắn dΩ. FOI cần phải phù hợp với tỷ lệ co của hình ảnh và do đó thường là hình vuông hoặc hình chữ nhật.

  • Hình dạng cấu hình chiếu sáng bên trong FOI

Các cấu hình cường độ bức xạ phổ biến nhất trong chiếu sáng lũ ToF có hình cánh dơi. Chúng có cấu hình thay đổi theo cos-n (θ) để bù cho độ sụt (nghĩa là độ chiếu sáng tương đối) của ống kính hình ảnh. Hình 5 minh họa một ví dụ về cấu hình chiếu sáng cánh dơi. Nếu một người muốn đạt được bức xạ không đổi trên mảng pixel của máy ảnh từ một mục tiêu phẳng, người ta cũng nên xem xét hệ số giảm cos3 (θ) trong bức xạ (E) giữa tâm mục tiêu và cạnh mục tiêu [W / m2] , được định nghĩa là:

trong đó E là bức xạ, dA là diện tích bề mặt được chiếu sáng bởi công suất quang dΦ, R (θ) là khoảng cách giữa nguồn sáng đến dA được xác định trong Hình 4 và dΩ = dAcos (θ) / R (θ)2.

Hình 4. Sự phân bố bức xạ so với cường độ 

  • Chiều rộng của mặt cắt

Chiều rộng của mặt cắt xác định FOI của cấu hình chiếu sáng. Nó có thể được định nghĩa là một nửa chiều rộng tối đa hoặc 1/e2 của cường độ tối đa. Để điều chỉnh độ lệch giữa thấu kính chụp ảnh so với hình ảnh và dung sai của bộ khuếch tán, FOI thường được thiết kế lớn hơn một chút so với FOV của thấu kính để tránh các điểm ảnh tối.

Chiều rộng của mặt cắt là tích số của cấu hình cường độ của nguồn sáng với phản ứng của bộ khuếch tán đối với chùm tia chuẩn trực. Góc phân kỳ đầu vào đến bộ khuếch tán càng rộng thì chiều rộng càng rộng và độ dốc chuyển tiếp càng chậm. Độ dốc chuyển tiếp rộng hơn và chậm hơn dẫn đến năng lượng rơi ra ngoài FOI nhiều hơn, gây ra tổn thất công suất quang học. Tiêu chí chấp nhận đối với tổn thất đó có thể được xác định bằng cách sử dụng hai yêu cầu sau.

  • Hiệu quả quang học — năng lượng kèm theo trong ống kính hình ảnh FOV

Thông số kỹ thuật này xác định mức năng lượng sẽ được nhận bởi mô-đun hình ảnh và được chỉ định bởi:

Hình 5c minh họa khái niệm tích hợp 2D của cấu hình chiếu sáng trong FOV.

  • Ngắt nguồn điện quang bên ngoài FOI

Hình 5. Một ví dụ về cấu hình chiếu sáng

Nói chung, hiệu quả quang học có thể được cải thiện bằng cách có một thấu kính chuẩn trực giữa nguồn sáng và bộ khuếch tán để giảm góc đầu vào bộ khuếch tán hoặc bằng cách chọn nguồn sáng có góc phân kỳ nhỏ hơn. 

Mô đun hình ảnh

Mô-đun hình ảnh bao gồm cụm thấu kính hình ảnh, bộ lọc băng thông (BPF) và mảng ống kính siêu nhỏ trên máy ảnh. Độ dày và chất liệu của các ngăn xếp quang học mặt sau trên máy ảnh phải được tối ưu hóa để phản xạ mặt sau thấp. Hình 6 cho thấy một minh họa của mô-đun hình ảnh.

Hình 6. Minh hoạ mô đun hình ảnh 

Cân nhắc thiết kế ống kính hình ảnh ToF

Vì camera ToF thu thập ánh sáng được tạo ra bởi chiếu sáng chủ động, hiệu quả và tính đồng nhất của tập hợp ánh sáng trên mảng pixel ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu suất tổng thể. Ống kính cần có công suất thu mạnh, độ truyền cao và ánh sáng đi lệch thấp. Sau đây là những cân nhắc về thiết kế đối với ống kính ToF, khác biệt với ống kính máy ảnh RGB truyền thống. 

  • Hiệu quả thu thập ánh sáng

Hiệu quả thu sáng tỷ lệ với 1 /(f/#)2,, trong đó f/# = (độ dài tiêu cự) / (kích thước khẩu độ). F/# càng nhỏ, hiệu quả càng tốt. Có một số sự đánh đổi với hệ thống quang học f/# nhỏ. Khi kích thước khẩu độ tăng lên, có xu hướng xuất hiện nhiều mờ nét ảnh và quang sai hơn, khiến việc thiết kế quang học trở nên khó khăn hơn. Hệ thống f/# thấp cũng có xu hướng có độ sâu trường ảnh nông hơn.

  • Độ rọi tương đối (RI) và góc tia chính (CRA)

RI được định nghĩa là:

Độ rọi của cảm biến giảm dựa trên định luật (cos q) 4, trong hệ thống thấu kính tự do làm biến dạng và làm mờ nét ảnh, trong đó q là góc tới CRA trên mặt phẳng cảm biến. Kết quả là hình ảnh bị tối tương đối về phía viền cảm biến. Sự giảm bức xạ có thể được giảm bớt bằng cách tạo ra hiện tượng méo âm trong hệ thống thấu kính.

CRA tối đa ở cạnh cảm biến phải được tối ưu hóa dựa trên thông số kỹ thuật mảng microlens của hình ảnh. CRA nhỏ hơn giúp thu hẹp băng thông của BPF để đạt được khả năng miễn nhiễm ánh sáng xung quanh tốt hơn.

Các ví dụ sau đây chứng minh CRA và kích thước hình nón ánh sáng hội tụ (f/# hiệu dụng) trên toàn trường ảnh hưởng như thế nào đến RI. Hệ thống thấu kính của Ví dụ 1 trong Hình 7 có CRA lớn hơn và hình nón giảm dần (nghĩa là tăng f/#) khi góc trường tăng. RI tương ứng giảm đáng kể với góc trường như được thể hiện trong biểu đồ RI tương ứng. Ví dụ 2 trong Hình 7 chứng minh rằng RI có thể được duy trì tốt bằng cách giảm thiểu CRA cũng như giữ f/# đồng nhất trên toàn trường.

  • Ánh sáng lệch

Ánh sáng lệch là bất kỳ ánh sáng không mong muốn nào trong hệ thống có thể được cảm biến phát hiện. Ánh sáng lệch hướng có thể đến từ các nguồn trong hoặc ngoài trường tạo thành hình ảnh ma (ví dụ, lóa ống kính) thông qua số lượng phản xạ chẵn. Ánh sáng lệch cũng có thể phát ra từ các cấu trúc quang cơ và bất kỳ bề mặt tán xạ nào. Hệ thống ToF đặc biệt nhạy cảm với ánh sáng lệch vì bản chất đa đường của ánh sáng lệch đóng góp độ dài đường dẫn quang học khác nhau vào một pixel, dẫn đến việc đo độ sâu không chính xác. Một số chiến lược trong quá trình thiết kế cần được sử dụng để giảm ánh sáng lệch, chẳng hạn như tối ưu hóa lớp phủ chống phản xạ (AR) và khẩu độ cơ học, làm tối các cạnh ống kính và cấu trúc lắp và thiết kế tùy chỉnh của BPF để tối ưu hóa bước sóng và CRA.

Sau đây là một số mục có thể ảnh hưởng đến ánh sáng đi lệch trong hệ thống:

  • Làm mờ nét ảnh

Tốt nhất là không nên có bất kỳ họa tiết nào trong hệ thống thấu kính ToF. Làm mờ nét ảnh cắt bỏ các tia hình ảnh và đôi khi được sử dụng như một kỹ thuật để tăng chất lượng hình ảnh trong khi giảm độ sáng của các trường ngoại vi. Tuy nhiên, các tia cắt thường xuyên dội vào bên trong hệ thống thấu kính và có xu hướng gây ra các vấn đề ánh sáng đi lệch.

  • Lớp phủ AR

Lớp phủ AR trên các phần tử quang học làm giảm độ phản xạ của từng bề mặt và có thể làm giảm hiệu quả tác động của phản xạ ống kính đối với tính toán độ sâu. Lớp phủ AR nên được thiết kế cẩn thận cho dải bước sóng nguồn sáng và dải góc cho các góc tới trên bề mặt thấu kính.

  • Số lượng thành phần thấu kính

Mặc dù thêm nhiều thành phần thấu kính mang lại dễ dàng hơn để đạt được các thông số kỹ thuật thiết kế và chất lượng hình ảnh tốt hơn về độ phân giải, nhưng nó cũng làm tăng phản xạ ngược không thể tránh khỏi từ các thành phần thấu kính cũng như tăng độ phức tạp và chi phí. 

  • Bộ lọc băng thông (BPF)

BPF cắt giảm sự đóng góp của ánh sáng xung quanh và rất cần thiết cho các hệ thống ToF. Thiết kế BPF nên được điều chỉnh theo các thông số sau để có hiệu suất tốt nhất.

a) Các thông số ống kính như f/# và CRA trên toàn trường

b) Các thông số nguồn sáng như băng thông, dung sai bước sóng danh định và sự dịch chuyển nhiệt

c) Tính chất vật liệu nền đối với độ lệch góc tới thấp so với bước sóng hoặc độ lệch nhiệt thấp so với bước sóng

  • Mảng Microlens

Cảm biến được chiếu sáng mặt sau ToF (BSI) thường có một lớp mảng microlens hội tụ các tia tới cảm biến hình ảnh và tối đa hóa số lượng photon đạt đến vùng điều biến pixel. Hình dạng của các microlens được tối ưu hóa để đạt được sự hấp thụ cao nhất trong vùng pixel nơi các photon được chuyển thành electron.

Hình 7. Các ví dụ về độ chiếu sáng tương đối

Trong nhiều thiết kế thấu kính, CRA của thấu kính tăng lên khi chiều cao hình ảnh tăng về phía rìa của cảm biến, như trong Hình 8. Tỷ lệ xiên này dẫn đến mất khả năng hấp thụ trong pixel và nhiễu xuyên âm giữa các pixel liền kề khi CRA quá lớn. . Điều quan trọng là phải thiết kế hoặc chọn một ống kính hình ảnh sao cho CRA của ống kính phù hợp với các thông số kỹ thuật của mảng microlens mà nó được thiết kế. Ví dụ: CRA tối ưu phù hợp với cảm biến ADI ToF ADSD3100 là khoảng 12° tại các cạnh ngang và dọc của cảm biến.

Hình 8. CRA tối đa của ống kính chụp ảnh

Phần kết luận
Quang học ToF có các yêu cầu riêng để đạt được hiệu suất tối ưu. Bài viết này cung cấp tổng quan về kiến trúc quang học của camera 3D ToF và hướng dẫn thiết kế cho các mô-đun phụ chiếu sáng và hình ảnh để giúp thiết kế các hệ thống quang học như vậy và / hoặc chọn các thành phần phụ. Đối với mô-đun phụ chiếu sáng, các yếu tố chính là hiệu suất nguồn, độ tin cậy và khả năng nguồn sáng được điều khiển ở tần số điều chế cao với độ tương phản điều chế cao. Việc cân nhắc lựa chọn bước sóng giữa 850 nm và 940 nm, cũng như cách xác định cấu hình chiếu sáng được thảo luận chi tiết. Đối với mô-đun phụ hình ảnh, các cân nhắc về thiết kế ống kính bao gồm f/#, CRA phù hợp với thông số kỹ thuật microlens và kiểm soát ánh sáng lệch là rất quan trọng đối với hiệu suất cấp hệ thống.

Tham khảo thêm tài liệu của các tác giả giới thiệu dưới đây

Giới thiệu về tác giả

Tzu-Yu Wu là một kỹ sư thiết kế quang học cao cấp tại Analog Devices. Cô dẫn đầu sự phát triển quang học của ADI cho công nghệ time of flight (ToF) và đã nghiên cứu các thiết kế quang học cho ống kính hình ảnh, quang học chiếu sáng, phân tích ánh sáng đi lạc và tối ưu hóa trên mảng microlens và các ngăn xếp quang học của cảm biến CMOS ToF được chiếu sáng ở mặt sau. Trước khi gia nhập ADI, cô đã làm việc tại Canon Hoa Kỳ để phát triển các hệ thống hình ảnh y tế tiên tiến như ống nội soi siêu nhỏ và ống thông hình ảnh tim mạch. Cô lấy bằng Tiến sĩ. và M.S. về khoa học quang học của Đại học Arizona, và bằng M.S. vật lý của Đại học Quốc gia Đài Loan. Cô nghiên cứu đề tài Tiến sĩ tập trung vào sự phát triển của các thiết bị hình ảnh có độ phân giải cao giúp phát hiện nhanh chóng ung thư giai đoạn đầu thông qua các thủ thuật xâm lấn tối thiểu. Có thể liên lạc tại tzu-yu.wu@analog.com.

Liên hệ:

Hanoi Ho Chi Minh City
Electronic Components  
Arrow Office – 9h Floor – Diamond Flower Tower,  Hoang Dao Thuy Street, Thanh Xuan District, Hanoi, 100000, Vietnam
Arrow Electronics Asia (S) Pte.Ltd
Arrow Electronics Asia – 3rd Floor, GTL Building, 17A Dang Tran Con Street Ben Thanh Ward, District 1, HCMC, Vietnam, 700000
P +84 24 7303 3886
F +84 4 3943 7208
sales.vietnam@arrowasia.com
www.Analog.com 

MAP

P +84 28 3823 4407
F +84 8 3528 5407
sales.vietnam@arrowasia.com
www.Arrow.com 

MAP

Về người đăng

IA Vietnam

Bình luận

Đăng bình luận

Quảng cáo

Bài viết mới

Share This
IA VIETNAM - Đăng ký nhận tạp chí miễn phí

Điền thông tin của bạn và gửi về cho chúng tôi, IA Vietnam sẽ tư vấn và gửi cho bạn. Cảm ơn bạn đã hợp tác cùng chúng tôi

    X
    NHẬN TẠP CHÍ