文章來源于公眾號(hào)：小小光08
VCSEL陣列準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的主要工作原理是使用一個(gè)VCSEL陣列（規(guī)則矩陣或偽隨機(jī)散斑，以及VCSEL的準(zhǔn)直光學(xué)元件，這些準(zhǔn)直透鏡投射VCSEL陣列的光線至幾何實(shí)體或者動(dòng)態(tài)捕捉的場(chǎng)景中。在準(zhǔn)直透鏡后面放置的衍射光學(xué)元件（DOE）將沿?X?方向、Y?方向和對(duì)角線方向創(chuàng)建該VCSEL陣列的多個(gè)投影。例如，下圖所示的為VCSEL陣列的3×3投影。
根據(jù)不同的應(yīng)用，VCSEL陣列的波長(zhǎng)可以為940nm或850nm。
VCSEL陣列經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)和DOE后產(chǎn)生的點(diǎn)陣或散斑，投影到目標(biāo)物體或區(qū)域，隨后由成像系統(tǒng)接受并獲取目標(biāo)物體或區(qū)域的深度信息。（投射系統(tǒng)或照明系統(tǒng)常稱為TX，成像系統(tǒng)或接收系統(tǒng)常稱為RX）
本例參考Support.zemax.com/設(shè)計(jì)范例與應(yīng)用。
設(shè)計(jì)仿真：
VCSEL+Collimator
首先，我們來定義VCSEL+Colliamtor模塊的需求。由于被照明區(qū)域可看作是VCSEL陣列的投影，因此非常關(guān)鍵的一點(diǎn)是確保準(zhǔn)直光學(xué)元件（Collimator）與所使用的VCSEL光源能夠相匹配。
如果VCSEL陣列的有效區(qū)域?yàn)?.6mm x 1.6mm，被照明目標(biāo)區(qū)域是1米遠(yuǎn)的?480mm x 480mm，那么我們可以確定透鏡所需的焦距為：
為了在ZEMAX中定義VCSEL模型，本例中可以假設(shè)VCSEL以940nm為波長(zhǎng)發(fā)射NA為0.2（NA大小取決于VCSEL的發(fā)散角）的高斯光束，設(shè)置如下圖：
VCSEL波長(zhǎng)為940nm，設(shè)置如下：
視場(chǎng)類型為“Object Height”，共設(shè)置3個(gè)視場(chǎng)，如下圖：
為了實(shí)現(xiàn)緊湊、低成本、可量產(chǎn)，?準(zhǔn)直透鏡的材料應(yīng)該選擇光學(xué)塑料，但有時(shí)為了提升準(zhǔn)直透鏡的性能，可以采用玻塑混合的設(shè)計(jì)。本例中，準(zhǔn)直透鏡選擇為3P，非球面，LDE如下圖所示：
我們可以將每個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)的發(fā)射都看作為單個(gè)二極管的發(fā)射，其光線將被投影到所觀察的場(chǎng)景中。此時(shí)，由于光束將在遠(yuǎn)場(chǎng)中被觀察到，并且這個(gè)系統(tǒng)主要受幾何像差的影響，因此我們可以將基于幾何光線的結(jié)果作為觀察場(chǎng)景中的光斑性能的評(píng)估指標(biāo)。然后，使用幾何圖像分析（Geometric Image Analysis）工具查看1米遠(yuǎn)的光斑情況，如下圖所示：
上面3個(gè)視場(chǎng)的幾何圖像分析窗口都顯示了點(diǎn)光源在?55mm x 55mm?的區(qū)域上，從物面到像面的傳播結(jié)果。2. TX（VCSEL+Collimator+DOE）非零衍射級(jí)次將在被觀察場(chǎng)景的中心階周圍向?X?和?Y?方向產(chǎn)生更多的光斑圖案，從而擴(kuò)展TX的范圍。本例中，我們將使用一對(duì)交叉的衍射光柵來創(chuàng)建非零級(jí)次的投影。因此，我們將需要計(jì)算線性光柵圖案所需的空間頻率，以確保一階衍射投影到的區(qū)域不會(huì)與零階衍射的相重疊：
所允許的極小衍射角θd?是視場(chǎng)水平半視場(chǎng)的兩倍。當(dāng)?fc?= 10mm，物高為?0.8mm時(shí)，零階的半視場(chǎng)?θhor為4.57?再由光柵方程確定光柵刻線之間所需的距離?d（以微米為單位）：
在ZEMAX中，衍射光柵表面將光柵的空間頻率作為設(shè)置參數(shù)，因此我們可以使用空間頻率0.17（≈1/5.92） 刻線/微米來設(shè)置該光柵。然后，我們可以在ZEMAX中對(duì)這個(gè)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，通過在序列模式中添加衍射光柵表面，以查看它是否能夠?yàn)椴煌?jí)次之間提供足夠的距離，LDE如下圖：
由于第 一個(gè)光柵與第二個(gè)光柵正交，第 一個(gè)光柵設(shè)置如下：
為了檢查投影區(qū)域不同衍射級(jí)次之間是否存在任何重疊，我們可以結(jié)合使用多重結(jié)構(gòu)編輯器和Footprint圖進(jìn)行分析。根據(jù)VCSEL陣列的大小，重新設(shè)置下視場(chǎng)，如下圖：
可以使用多重結(jié)構(gòu)定義兩種情況，一種顯示中心階，而另一種顯示沿X軸的一階，如下圖：
為此，修改光柵的空間頻率為0.2刻線/微米，再次查看Footprint圖：
為了獲取照明投影中的深度信息，需要一個(gè)成像系統(tǒng)對(duì)該場(chǎng)景進(jìn)行觀察，通過計(jì)算每個(gè)光點(diǎn)的往返飛行時(shí)間或根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)比對(duì)，將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為深度數(shù)據(jù)。根據(jù)之前的計(jì)算，中心階的半水平和垂直視場(chǎng)大約是?4.57°。由于衍射元件各級(jí)次在該中心階周圍產(chǎn)生3×3投影，這將使成像系統(tǒng)所需的視場(chǎng)在水平和垂直半視場(chǎng)上增加到約?9.14°(即約為中心階半視場(chǎng)值的兩倍)。所以，成像系統(tǒng)所需的半視場(chǎng)在水平和垂直方向上為?13.71°，或在對(duì)角線方向上約為?19.39°。該設(shè)計(jì)采用了類似于Cooke三片式透鏡的結(jié)構(gòu)，即在兩個(gè)低折射率的正透鏡之間有一個(gè)高折射率的負(fù)透鏡。所有元件上都具有非球面系數(shù)，允許通過第 一個(gè)透鏡校正球差，而第三個(gè)透鏡可作為場(chǎng)鏡，以改善畸變和場(chǎng)曲的性能。此外，該結(jié)構(gòu)中結(jié)尾還包含一個(gè)平板玻璃，該平板玻璃可作為覆蓋圖像傳感器的蓋板。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下：
上圖可以看出。RX的光學(xué)性能已經(jīng)接近衍射極限。
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