在消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域，工程師可利用激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)眾多功能，如面部識(shí)別和3D映射等。盡管激光雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛而且截然不同，而“閃存激光雷達(dá)”解決方案適用于在使用固態(tài)光學(xué)元件的目標(biāo)場(chǎng)景中生成可檢測(cè)的點(diǎn)陣列。憑借在針對(duì)小型封裝獲取三維空間數(shù)據(jù)方面的優(yōu)勢(shì)，固態(tài)激光雷達(dá)系統(tǒng)在智能手機(jī)和筆記本電腦等消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中日益普及。在這個(gè)系列的文章中，我們將探討如何使用OpticStudio對(duì)此類(lèi)系統(tǒng)進(jìn)行建模，包括從序列起始點(diǎn)到集成機(jī)械外殼的整個(gè)流程。該文章為閃光激光雷達(dá)系統(tǒng)建模系列文章的下篇。
激光雷達(dá)系統(tǒng)在工業(yè)界中有著多種場(chǎng)景下的應(yīng)用，對(duì)應(yīng)于不同種類(lèi)的激光雷達(dá)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(xué)元件來(lái)復(fù)制光源陣列在目標(biāo)場(chǎng)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(xiàn)的飛行時(shí)間信息，進(jìn)而生成投影點(diǎn)的深度信息。
在第三部分中，我們會(huì)介紹如何使用 Prepare for OpticsBuilder 將光學(xué)模型轉(zhuǎn)換為 .ZBD 文件。通過(guò)轉(zhuǎn)換，我們能夠在 OpticsBuilder 中打開(kāi)光學(xué)模型，并用于受支持的 CAD 平臺(tái)，以生成機(jī)械外殼并執(zhí)行光線(xiàn)追跡驗(yàn)證。
02 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(dá)系統(tǒng)創(chuàng)建了一個(gè)完整的端到端模型。
現(xiàn)在，設(shè)計(jì)流程的下一步需要構(gòu)建一些機(jī)械外殼，以便將光學(xué)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(jī)械設(shè)計(jì)還需要一些能夠容納各個(gè)模塊的封裝。Prepare for OpticsBuilder 工具可生成擴(kuò)展名為 .ZBD 的文件，該文件可以通過(guò) OpticsBuilder 模塊讀取，以便用于受支持的 CAD 平臺(tái)，從而幫助光學(xué)和光機(jī)工程師能夠快速地進(jìn)行文件共享和協(xié)作。
首先，我們來(lái)看一下之前研究的非序列模式閃光激光雷達(dá)模型，我們對(duì)它進(jìn)行了簡(jiǎn)單的修改，只使用光學(xué)元件和單個(gè)散射壁面（請(qǐng)注意，在本文中壁面已從矩形探測(cè)器更改為矩形 2D 表面）。接下來(lái)，我們通過(guò)文件選項(xiàng)卡…Prepare for OpticsBuilder（File tab…Prepare for OpticsBuilder）打開(kāi) Prepare for OpticsBuilder：
在 Prepare for OpticsBuilder 中，光學(xué)工程師可指定一些合適的設(shè)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(duì)于閃光激光雷達(dá)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，由于我們對(duì)光線(xiàn)分束和散射進(jìn)行了建模，因此我們想要確保在?分析方式（Analyze With）設(shè)置中勾選?散射（Scattering）和?光線(xiàn)分束（Ray splitting）框。同樣地，在 OpticsBuilder 中是否將文件設(shè)為只讀也取決于工程師的選擇，對(duì)于本例，我們將不勾選只讀框：
當(dāng)完成?用戶(hù)輸入（User Inputs）選項(xiàng)卡的編輯后，我們選擇?準(zhǔn)備（Prepare）以開(kāi)始轉(zhuǎn)換過(guò)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(rèn)值）范圍內(nèi)執(zhí)行。在保存?.ZBD文件（Save .ZBD File）選項(xiàng)卡中單擊?保存（Save），以生成 OpticsBuilder 就緒文件。
一旦創(chuàng)建了 .ZBD 文件，光機(jī)工程師就可以將其導(dǎo)入到 OpticsBuilder 中。在安裝了 OpticsBuilder 插件的 CAD 程序中（目前僅支持 Creo），通過(guò)打開(kāi)一個(gè)新的裝配體文件即可完成操作。選擇合適的文件后， OpticsBuilder 將開(kāi)始在您使用的 CAD 程序中生成光學(xué)系統(tǒng)：
在導(dǎo)入完成后，工程師可以查看完整的光學(xué)模型和幾何結(jié)構(gòu)，光學(xué)管理器（Optics Manager）中將列出相關(guān)的光學(xué)元件。如果在 Prepare for OpticsBuilder 工具中未勾選 只讀？（Read-only?），光機(jī)工程師也可對(duì)其進(jìn)行編輯：
由于保留了 OpticStudio 文件中的設(shè)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(xiàn)追跡。這使得光機(jī)工程師能夠產(chǎn)生關(guān)于外殼整體設(shè)計(jì)的一些想法：
現(xiàn)在可以使用CAD軟件來(lái)添加機(jī)械元件。在自上而下的設(shè)計(jì)中創(chuàng)建機(jī)械元件時(shí)，可以參考導(dǎo)入的光學(xué)元件幾何結(jié)構(gòu)。默認(rèn)情況下，光學(xué)元件是固定的，但新創(chuàng)建的機(jī)械元件可以通過(guò)指定配置屬性進(jìn)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(jìn)行定位。在后面，還可以將新引入元件的光學(xué)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(gè)軌道的光學(xué)元件之間添加機(jī)械墊片：
下一個(gè)添加的機(jī)械元件是用于容納每個(gè)單獨(dú)模塊的筒：
對(duì)于所有這些物體，可以在光學(xué)管理器（Optics Manager）選項(xiàng)卡中，通過(guò)右鍵點(diǎn)擊相關(guān)物體并選擇編輯表面屬性（Edit Surface Properties）來(lái)指定光學(xué)屬性：
04 在OpticsBuilder中驗(yàn)證系統(tǒng)性能
完成機(jī)械封裝后，我們可以開(kāi)展另一個(gè)仿真，以便查看添加的外殼如何影響整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的光線(xiàn)追跡。假設(shè)我們已經(jīng)準(zhǔn)備好以下用于驗(yàn)證的機(jī)械設(shè)計(jì)：
要運(yùn)行另一個(gè)仿真，我們將導(dǎo)航至 OpticsBuilder 選項(xiàng)卡，然后單擊?仿真（Simulate）。添加新的機(jī)械元件后，OpticsBuilder 可以評(píng)估探測(cè)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(jī)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(bào)告整個(gè)探測(cè)器性能的變化，即意味著它根據(jù)衍射光柵創(chuàng)建的點(diǎn)陣列來(lái)報(bào)告光斑尺寸，而這和現(xiàn)在的情況不太相關(guān)。像面污染可測(cè)量到達(dá)探測(cè)器的多余光線(xiàn)，這仍然相關(guān)并且保持在我們準(zhǔn)備 OB 的初始步驟中定義的允許增量范圍內(nèi)。通過(guò)單擊?“光斑尺寸（Spot size）”區(qū)域，然后單擊?顯示探測(cè)器…（Show Detectors…），可以查看在添加機(jī)械元件之前和之后的探測(cè)器結(jié)果：
此外，還可以通過(guò)?“打印（Print）”?按鈕生成 OpticsBuilder 報(bào)告來(lái)查看這些結(jié)果：
為了進(jìn)一步研究，OpticsBuilder會(huì)根據(jù)光線(xiàn)是否污染探測(cè)器或是否被新的幾何結(jié)構(gòu)遮擋來(lái)保存光線(xiàn)。通過(guò)右鍵點(diǎn)擊相應(yīng)的光線(xiàn)集，我們可以顯示被遮擋的光線(xiàn)，同時(shí)定義要隱藏的其它光線(xiàn)集（“像面污染（Image contamination）”和“所有光線(xiàn)（All Rays）”）：
從這個(gè)角度對(duì)光線(xiàn)進(jìn)行更仔細(xì)的檢查，可以對(duì)某些光束遮擋的光源進(jìn)行一些診斷。工程師可以檢查整個(gè)外殼的性能，也可以通過(guò)在仿真中包含或去除單個(gè)機(jī)械元件來(lái)評(píng)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(huì)造成光源遮擋。光線(xiàn)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(xì)信息，機(jī)械工程師可以在修改外殼設(shè)計(jì)時(shí)做出明智的決策，以降低光束遮擋的情況。
05 OpticsBuilder與OpticStudio之間的迭代
如果需要將此設(shè)計(jì)迭代發(fā)送給光學(xué)工程師進(jìn)行進(jìn)一步審核，光機(jī)工程師可以從OpticsBuilder導(dǎo)出.ZBD文件，以便在OpticsBuilder選項(xiàng)卡中輕松實(shí)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(qǐng)注意，這需要光學(xué)工程師擁有Premium OpticStudio許可證，并可以訪(fǎng)問(wèn)相同的CAD軟件。此外，用戶(hù)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(lèi)似于OpticStudio .ZAR存檔文件，因此可以在OpticStudio中將其打開(kāi)，并完全再現(xiàn)由光機(jī)工程師添加的光學(xué)和機(jī)械元件。
值得注意的是，在撰寫(xiě)本文時(shí)，需要為散射壁面重新定義第二部分中定義的重點(diǎn)采樣(Importance Sampling）設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)如上所示的光線(xiàn)追跡。
在本篇文章中，我們演示了OpticStudio和OpticsBuilder之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程，從而為我們的光學(xué)模塊創(chuàng)建機(jī)械封裝。將光學(xué)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(xiàn)追跡核心來(lái)仿真光線(xiàn)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(xiàn)集的隔離有助于評(píng)估機(jī)械或光學(xué)設(shè)計(jì)可能需要在哪些方面進(jìn)行修改。在后面，光學(xué)和光機(jī)工程師可以通過(guò)在OpticsBuilder和OpticStudio之間共享.ZBD文件來(lái)實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)的無(wú)縫迭代。