Ansys Zemax | 使用OpticStudio進行閃光激光雷達系統(tǒng)建模（下）

在消費類電子產(chǎn)品領域，工程師可利用激光雷達實現(xiàn)眾多功能，如面部識別和3D映射等。盡管激光雷達系統(tǒng)的應用非常廣泛而且截然不同，而“閃存激光雷達”解決方案適用于在使用固態(tài)光學元件的目標場景中生成可檢測的點陣列。

憑借在針對小型封裝獲取三維空間數(shù)據(jù)方面的優(yōu)勢，固態(tài)激光雷達系統(tǒng)在智能手機和筆記本電腦等消費類電子產(chǎn)品中日益普及。

在這個系列的文章中，我們將探討如何使用OpticStudio對此類系統(tǒng)進行建模，包括從序列起始點到集成機械外殼的整個流程。該文章為閃光激光雷達系統(tǒng)建模系列文章的最后一篇。（點擊查看上期文章）

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簡介

激光雷達系統(tǒng)在工業(yè)界中有著多種場景下的應用，對應于不同種類的激光雷達系統(tǒng)（比如用于掃描元件或確定視野的系統(tǒng)等），本示例將主要探索如何使用衍射光學元件來復制光源陣列在目標場景中的投影。成像透鏡系統(tǒng)隨后可觀察到投影的光源陣列，以獲取投射光線的飛行時間信息，進而生成投影點的深度信息。

在第三部分中，我們會介紹如何使用 Prepare for OpticsBuilder 將光學模型轉(zhuǎn)換為 .ZBD 文件。通過轉(zhuǎn)換，我們能夠在 OpticsBuilder 中打開光學模型，并用于受支持的 CAD 平臺，以生成機械外殼并執(zhí)行光線追跡驗證。

使用Prepare for OpticsBuilder
在前兩篇文章中，我們已經(jīng)在OpticStudio中為閃存激光雷達系統(tǒng)創(chuàng)建了一個完整的端到端模型。

 

現(xiàn)在，設計流程的下一步需要構(gòu)建一些機械外殼，以便將光學元件固定在各自的軌道內(nèi)（即特定的發(fā)射和接收模塊）。此外，機械設計還需要一些能夠容納各個模塊的封裝。Prepare for OpticsBuilder 工具可生成擴展名為 .ZBD 的文件，該文件可以通過 OpticsBuilder 模塊讀取，以便用于受支持的 CAD 平臺，從而幫助光學和光機工程師能夠快速地進行文件共享和協(xié)作。

首先，我們來看一下之前研究的非序列模式閃光激光雷達模型，我們對它進行了簡單的修改，只使用光學元件和單個散射壁面（請注意，在本文中壁面已從矩形探測器更改為矩形 2D 表面）。接下來，我們通過文件選項卡…Prepare for OpticsBuilder（File tab…Prepare for OpticsBuilder）打開 Prepare for OpticsBuilder：

 

在 Prepare for OpticsBuilder 中，光學工程師可指定一些合適的設置，以檢查 ZBD 文件轉(zhuǎn)換是否保留了與原生 OpticStudio 文件相同的性能。對于閃光激光雷達系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，由于我們對光線分束和散射進行了建模，因此我們想要確保在 分析方式（Analyze With）設置中勾選 散射（Scattering）和 光線分束（Ray splitting）框。同樣地，在 OpticsBuilder 中是否將文件設為只讀也取決于工程師的選擇，對于本例，我們將不勾選只讀框：

 

當完成 用戶輸入（User Inputs）選項卡的編輯后，我們選擇 準備（Prepare）以開始轉(zhuǎn)換過程，并讓工具檢查 ZBD 文件是否能夠在允許的增量和公差（在本例中，我們將其保留為默認值）范圍內(nèi)執(zhí)行。在保存 .ZBD文件（Save .ZBD File）選項卡中單擊 保存（Save），以生成 OpticsBuilder 就緒文件。

使用OpticsBuilder

一旦創(chuàng)建了 .ZBD 文件，光機工程師就可以將其導入到 OpticsBuilder 中。在安裝了 OpticsBuilder 插件的 CAD 程序中（目前僅支持 Creo），通過打開一個新的裝配體文件即可完成操作。選擇合適的文件后， OpticsBuilder 將開始在您使用的 CAD 程序中生成光學系統(tǒng)：

在導入完成后，工程師可以查看完整的光學模型和幾何結(jié)構(gòu)，光學管理器（Optics Manager）中將列出相關的光學元件。如果在 Prepare for OpticsBuilder 工具中未勾選 只讀？（Read-only?），光機工程師也可對其進行編輯：

由于保留了 OpticStudio 文件中的設置，我們可以使用 仿真（Simulate）按鈕，直接在 OpticsBuilder 中執(zhí)行與 OpticStudio 中相同的光線追跡。這使得光機工程師能夠產(chǎn)生關于外殼整體設計的一些想法：

現(xiàn)在可以使用CAD軟件來添加機械元件。在自上而下的設計中創(chuàng)建機械元件時，可以參考導入的光學元件幾何結(jié)構(gòu)。默認情況下，光學元件是固定的，但新創(chuàng)建的機械元件可以通過指定配置屬性進行約束。此外，您還可以使用之前構(gòu)建的現(xiàn)成部件，這些部件可以插入到裝配體中并使用配置進行定位。最后，還可以將新引入元件的光學定義（例如膜層和散射配置文件數(shù)據(jù)）包括在內(nèi)。例如，在每個軌道的光學元件之間添加機械墊片：

下一個添加的機械元件是用于容納每個單獨模塊的筒：

對于所有這些物體，可以在光學管理器（Optics Manager）選項卡中，通過右鍵點擊相關物體并選擇編輯表面屬性（Edit Surface Properties）來指定光學屬性：

在OpticsBuilder中驗證系統(tǒng)性能

完成機械封裝后，我們可以開展另一個仿真，以便查看添加的外殼如何影響整個光學系統(tǒng)的光線追跡。假設我們已經(jīng)準備好以下用于驗證的機械設計：

要運行另一個仿真，我們將導航至 OpticsBuilder 選項卡，然后單擊 仿真（Simulate）。添加新的機械元件后，OpticsBuilder 可以評估探測器在光斑尺寸、光束遮擋和像面污染等名義性能上的任何變化：

因此，有了這些機械元件，我們系統(tǒng)的主要變化是在光束遮擋方面。在該模型中，光斑尺寸可報告整個探測器性能的變化，即意味著它根據(jù)衍射光柵創(chuàng)建的點陣列來報告光斑尺寸，而這和現(xiàn)在的情況不太相關。像面污染可測量到達探測器的多余光線，這仍然相關并且保持在我們準備 OB 的初始步驟中定義的允許增量范圍內(nèi)。通過單擊 “光斑尺寸（Spot size）”區(qū)域，然后單擊 顯示探測器…（Show Detectors…），可以查看在添加機械元件之前和之后的探測器結(jié)果：

 

此外，還可以通過 “打印（Print）” 按鈕生成 OpticsBuilder 報告來查看這些結(jié)果：

為了進一步研究，OpticsBuilder會根據(jù)光線是否污染探測器或是否被新的幾何結(jié)構(gòu)遮擋來保存光線。通過右鍵點擊相應的光線集，我們可以顯示被遮擋的光線，同時定義要隱藏的其它光線集（“像面污染（Image contamination）”和“所有光線（All Rays）”）：

 

從這個角度對光線進行更仔細的檢查，可以對某些光束遮擋的光源進行一些診斷。工程師可以檢查整個外殼的性能，也可以通過在仿真中包含或去除單個機械元件來評估任何添加幾何結(jié)構(gòu)組合的潛在干擾。例如，將外殼安裝到發(fā)射模塊末端的衍射光柵元件上會造成光源遮擋。光線與外殼的這一部分相互作用，隨后被捕獲在外殼中： 

利用這些詳細信息，機械工程師可以在修改外殼設計時做出明智的決策，以降低光束遮擋的情況。

 
OpticsBuilder 與 OpticStudio 之間的迭代

如果需要將此設計迭代發(fā)送給光學工程師進行進一步審核，光機工程師可以從OpticsBuilder導出.ZBD文件，以便在OpticsBuilder選項卡中輕松實現(xiàn)CAD程序和OpticStudio之間的文件傳輸。工程師可以選擇將部件保存為所用CAD程序的原生元件，但請注意，這需要光學工程師擁有Premium OpticStudio許可證，并可以訪問相同的CAD軟件。此外，用戶還可以選擇將元件保存為靜態(tài)STEP/IGES/SAT文件：

由于.ZBD文件類似于OpticStudio .ZAR存檔文件，因此可以在OpticStudio中將其打開，并完全再現(xiàn)由光機工程師添加的光學和機械元件。

值得注意的是，在撰寫本文時，需要為散射壁面重新定義第二部分中定義的重點采樣(Importance Sampling）設置，以實現(xiàn)如上所示的光線追跡。

在本篇文章中，我們演示了OpticStudio和OpticsBuilder之間的轉(zhuǎn)換過程，從而為我們的光學模塊創(chuàng)建機械封裝。將光學模型整合到所選的兼容CAD程序后，OpticsBuilder可以使用與OpticStudio相同的光線追跡核心來仿真光線追跡，以檢查光斑尺寸、光束遮擋和像面污染方面的變化。這些光線集的隔離有助于評估機械或光學設計可能需要在哪些方面進行修改。最后，光學和光機工程師可以通過在OpticsBuilder和OpticStudio之間共享.ZBD文件來實現(xiàn)其設計的無縫迭代。