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分享 | Zemax光学设计实例---一个VCSEL阵列准直光学系统的设计参考

发布日期:
2023-02-28

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文章来源于公众号:小小光08



引言:


VCSEL阵列准直光学系统的主要工作原理是使用一个VCSEL阵列(规则矩阵或伪随机散斑,以及VCSEL的准直光学元件,这些准直透镜投射VCSEL阵列的光线至几何实体或者动态捕捉的场景中。在准直透镜后面放置的衍射光学元件(DOE)将沿 X 方向、Y 方向和对角线方向创建该VCSEL阵列的多个投影。例如,下图所示的为VCSEL阵列的3×3投影。


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根据不同的应用,VCSEL阵列的波长可以为940nm或850nm。


VCSEL阵列经准直系统和DOE后产生的点阵或散斑,投影到目标物体或区域,随后由成像系统接受并获取目标物体或区域的深度信息。(投射系统或照明系统常称为TX,成像系统或接收系统常称为RX)


本例参考Support.zemax.com/设计范例与应用。


设计仿真:


  1. VCSEL+Collimator


首先,我们来定义VCSEL+Colliamtor模块的需求。由于被照明区域可看作是VCSEL阵列的投影,因此非常关键的一点是确保准直光学元件(Collimator)与所使用的VCSEL光源能够相匹配。


如果VCSEL阵列的有效区域为1.6mm x 1.6mm,被照明目标区域是1米远的 480mm x 480mm,那么我们可以确定透镜所需的焦距为:


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为了在ZEMAX中定义VCSEL模型,本例中可以假设VCSEL以940nm为波长发射NA为0.2(NA大小取决于VCSEL的发散角)的高斯光束,设置如下图:



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VCSEL波长为940nm,设置如下:



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视场类型为“Object Height”,共设置3个视场,如下图:



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为了实现紧凑、低成本、可量产, 准直透镜的材料应该选择光学塑料,但有时为了提升准直透镜的性能,可以采用玻塑混合的设计。本例中,准直透镜选择为3P,非球面,LDE如下图所示:



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查看2D Layout:



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我们可以将每个视场点的发射都看作为单个二极管的发射,其光线将被投影到所观察的场景中。此时,由于光束将在远场中被观察到,并且这个系统主要受几何像差的影响,因此我们可以将基于几何光线的结果作为观察场景中的光斑性能的评估指标。然后,使用几何图像分析(Geometric Image Analysis)工具查看1米远的光斑情况,如下图所示:

1视场:


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2视场:



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3视场:



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上面3个视场的几何图像分析窗口都显示了点光源在 55mm x 55mm 的区域上,从物面到像面的传播结果。

2. TX(VCSEL+Collimator+DOE)

非零衍射级次将在被观察场景的中心阶周围向 X 和 Y 方向产生更多的光斑图案,从而扩展TX的范围。

本例中,我们将使用一对交叉的衍射光栅来创建非零级次的投影。因此,我们将需要计算线性光栅图案所需的空间频率,以确保一阶衍射投影到的区域不会与零阶衍射的相重叠:



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所允许的极小衍射角θd 是视场水平半视场的两倍。当 fc = 10mm,物高为 0.8mm时,零阶的半视场 θhor为4.57?

再由光栅方程确定光栅刻线之间所需的距离 d(以微米为单位):



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在ZEMAX中,衍射光栅表面将光栅的空间频率作为设置参数,因此我们可以使用空间频率0.17(≈1/5.92) 刻线/微米来设置该光栅。

然后,我们可以在ZEMAX中对这个计算结果进行验证,通过在序列模式中添加衍射光栅表面,以查看它是否能够为不同级次之间提供足够的距离,LDE如下图:



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由于第 一个光栅与第二个光栅正交,第 一个光栅设置如下:



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查看3D Layout:



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为了检查投影区域不同衍射级次之间是否存在任何重叠,我们可以结合使用多重结构编辑器和Footprint图进行分析。

根据VCSEL阵列的大小,重新设置下视场,如下图:



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可以使用多重结构定义两种情况,一种显示中心阶,而另一种显示沿X轴的一阶,如下图:



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查看Footprint图:



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上图中,红框区域有重叠。

为此,修改光栅的空间频率为0.2刻线/微米,再次查看Footprint图:



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上图中,相邻级次的投影刚好没有重叠了。

3.RX

为了获取照明投影中的深度信息,需要一个成像系统对该场景进行观察,通过计算每个光点的往返飞行时间或根据标定数据比对,将图像数据转换为深度数据。

根据之前的计算,中心阶的半水平和垂直视场大约是 4.57°。由于衍射元件各级次在该中心阶周围产生3×3投影,这将使成像系统所需的视场在水平和垂直半视场上增加到约 9.14°(即约为中心阶半视场值的两倍)。所以,成像系统所需的半视场在水平和垂直方向上为 13.71°,或在对角线方向上约为 19.39°。

因此,RX的D-FOV要大于40°。

该设计采用了类似于Cooke三片式透镜的结构,即在两个低折射率的正透镜之间有一个高折射率的负透镜。所有元件上都具有非球面系数,允许通过第 一个透镜校正球差,而第三个透镜可作为场镜,以改善畸变和场曲的性能。此外,该结构中结尾还包含一个平板玻璃,该平板玻璃可作为覆盖图像传感器的盖板。

系统参数设置如下:



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LDE如下图:



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查看2D Layout:



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查看FFT MTF:



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上图可以看出。RX的光学性能已经接近衍射极限。

查看点列图:



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