Ansys Zemax | 使用 OpticStudio 进行闪光激光雷达系统建模（上）

激光雷达（LiDAR）技术在消费类电子产品领域正迅速发展，尤其是闪光激光雷达作为一种固态解决方案，适用于利用微小且固态光学元件创建可检测的点阵列。这类技术在智能手机、笔记本电脑等便携设备上的应用日益广泛，能够实现面部识别、3D 映射等功能。在本文中，我们将探讨如何使用光学仿真软件 OpticStudio 对闪光激光雷达系统的发射和接受模组进行建模，并实现整个系统的集成设计。

系统背景与特征：

闪光激光雷达系统的运作基础是通过一组位于光源阵列（如垂直腔面发射激光器VCSEL）前方的准直光学元件进行投射。这些元件将光源阵列的光线追踪至物理或动态场景中，随后通过一系列紧随的衍射光学元件（如光栅）在X、Y轴及对角线方向上生成多个光源阵列投影，形成一个3x3的网格布局。这一布局允许从光源阵列形成多个点光源的阵列，能够照亮目标区域，并供成像系统检测。

发射模块设计：

发射模块首先需要定义需求，与所用光源相匹配的准直光学元件选择至关重要。假设光源阵列的有效区域为1.6mm x 1.6mm，我们可以通过几何光学和衍射光学原理计算所需的透镜焦距，以确保在目标场景中光源阵列点有足够的尺寸。利用OpticStudio软件模拟时，假设光源阵列为0.94微米波长发射的NA 0.2光束，经过优化的设计可以在视野上产生准直输出。通过较小尺寸的塑料材料（如在“FlashLidar_Emitter.ZAR”文件中显示的）实现紧凑且经济的设计。

为生成投影模式，通过使用两个交叉的衍射光栅生成额外的投影，此步骤需要计算线性光栅图案的所需空间频率。最小允许的衍射角是视场水平半视场的两倍。通过调整光栅刻线间隔（例如，设置为0.17刻线/微米），以保证一阶衍射到的区域不会与零阶衍射重叠。

在进行灵敏性分析，确认不同衍射级别的光点不会相互叠加时，结合几何图像分析和多重结构编辑器进行分析。引入“填充”版的“SQUARE.IMA”（在所有OpticStudio安装中均可提供）来模拟远场视图中的光源有效区域有无潜在重叠，从而验证设计的正确性。




成像系统设计：

导航激光投影的深度信息需要一个成像系统对场景进行观察，通过计算每个光点的往返飞行时间（ToF）来转换为深度数据。基于之前计算的中心阶的半水平和垂直视场大约为4.57°，考虑到衍射模式的均匀分布，成像系统需要覆盖更广泛的视场，大约是中心阶视场的两倍（即9.14°），这意味着成像系统需要一个大约20°的视场。

考虑到激光雷达在消费电子设备中的应用，设计中优先使用小尺寸塑料件来实现紧凑型封装。模型中的透镜设计成大约30°36°的视角，以确保物理实现的可行，并适当地控制边缘厚度和元件之间的安装间隙。模型包括非球面系数以补偿球差，第三个透镜作为场镜改善畸变和场曲，并配备用于保护图像传感器的平板玻璃。

通过分析成像系统的光学性能，调查在100 lp/mm时的傅里叶变换模态传递函数（MTF）曲线，确认系统接近衍射限制能达到的光学性能。后续利用点列图在场景像面上观测到的光斑尺寸，以及通过序列标记为“场景像面”得以确认中心视场点的点到点的鲁棒性（RMS半径为2.089毫米），从而计算探测器上的光斑最终尺寸（大约6.2毫米），并与0.72 lp/mm的辐射密度（轴上MTF）对比，确定图像质量充足。

结论与未来工作：

本文提供了对闪光激光雷达系统的整体设计概念和利用OpticStudio进行模型构建的基础步骤。发射模块侧重于源光束产生的分布和重叠评估，而接收模块则关注最小光斑尺寸和MTF曲线以确保成像性能。未来文章将详细介绍包括封装在内的一套完整的系统建模和设计，进一步展示如何将这些组件整合进一个实际的设备，实现从概念到物理产品的完整过程。

我们在分析过程中使用工具和技巧，以确保激光雷达系统在消费电子产品中的实现不仅仅是可行，而且实用、高效，并且能够满足设计预期的功能性和灯效需求。本文作为开始，开启对这一前沿技术深入探索的篇章。