文章來源于公眾號：小小光08
VCSEL陣列準直光學系統(tǒng)的主要工作原理是使用一個VCSEL陣列（規(guī)則矩陣或偽隨機散斑，以及VCSEL的準直光學元件，這些準直透鏡投射VCSEL陣列的光線至幾何實體或者動態(tài)捕捉的場景中。在準直透鏡后面放置的衍射光學元件（DOE）將沿?X?方向、Y?方向和對角線方向創(chuàng)建該VCSEL陣列的多個投影。例如，下圖所示的為VCSEL陣列的3×3投影。
根據(jù)不同的應用，VCSEL陣列的波長可以為940nm或850nm。
VCSEL陣列經(jīng)準直系統(tǒng)和DOE后產生的點陣或散斑，投影到目標物體或區(qū)域，隨后由成像系統(tǒng)接受并獲取目標物體或區(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/設計范例與應用。
設計仿真：
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，因此非常關鍵的一點是確保準直光學元件（Collimator）與所使用的VCSEL光源能夠相匹配。
如果VCSEL陣列的有效區(qū)域為1.6mm x 1.6mm，被照明目標區(qū)域是1米遠的?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VCSEL以940nm為波長發(fā)射NA為0.2（NA大小取決于VCSEL的發(fā)散角）的高斯光束，設置如下圖：
視場類型為“Object Height”，共設置3個視場，如下圖：
為了實現(xiàn)緊湊、低成本、可量產，?準直透鏡的材料應該選擇光學塑料，但有時為了提升準直透鏡的性能，可以采用玻塑混合的設計。本例中，準直透鏡選擇為3P，非球面，LDE如下圖所示：
我們可以將每個視場點的發(fā)射都看作為單個二極管的發(fā)射，其光線將被投影到所觀察的場景中。此時，由于光束將在遠場中被觀察到，并且這個系統(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果作為觀察場景中的光斑性能的評估指標。然后，使用幾何圖像分析（Geometric Image Analysis）工具查看1米遠的光斑情況，如下圖所示：
上面3個視場的幾何圖像分析窗口都顯示了點光源在?55mm x 55mm?的區(qū)域上，從物面到像面的傳播結果。2. TX（VCSEL+Collimator+DOE）非零衍射級次將在被觀察場景的中心階周圍向?X?和?Y?方向產生更多的光斑圖案，從而擴展TX的范圍。本例中，我們將使用一對交叉的衍射光柵來創(chuàng)建非零級次的投影。因此，我們將需要計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)域不會與零階衍射的相重疊：
所允許的極小衍射角θd?是視場水平半視場的兩倍。當?fc?= 10mm，物高為?0.8mm時，零階的半視場?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/微米來設置該光柵。然后，我們可以在ZEMAX中對這個計算結果進行驗證，通過在序列模式中添加衍射光柵表面，以查看它是否能夠為不同級次之間提供足夠的距離，LDE如下圖：
由于第 一個光柵與第二個光柵正交，第 一個光柵設置如下：
為了檢查投影區(qū)域不同衍射級次之間是否存在任何重疊，我們可以結合使用多重結構編輯器和Footprint圖進行分析。根據(jù)VCSEL陣列的大小，重新設置下視場，如下圖：
可以使用多重結構定義兩種情況，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，需要一個成像系統(tǒng)對該場景進行觀察，通過計算每個光點的往返飛行時間或根據(jù)標定數(shù)據(jù)比對，將圖像數(shù)據(jù)轉換為深度數(shù)據(jù)。根據(jù)之前的計算，中心階的半水平和垂直視場大約是?4.57°。由于衍射元件各級次在該中心階周圍產生3×3投影，這將使成像系統(tǒng)所需的視場在水平和垂直半視場上增加到約?9.14°(即約為中心階半視場值的兩倍)。所以，成像系統(tǒng)所需的半視場在水平和垂直方向上為?13.71°，或在對角線方向上約為?19.39°。該設計采用了類似于Cooke三片式透鏡的結構，即在兩個低折射率的正透鏡之間有一個高折射率的負透鏡。所有元件上都具有非球面系數(shù)，允許通過第 一個透鏡校正球差，而第三個透鏡可作為場鏡，以改善畸變和場曲的性能。此外，該結構中結尾還包含一個平板玻璃，該平板玻璃可作為覆蓋圖像傳感器的蓋板。
上圖可以看出。RX的光學性能已經(jīng)接近衍射極限。
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