面板对于ToF光学系统的影响分析----ToF技术专题系列（五）

作者||技述无忌
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一、面板在光学系统产品中的意义

消费级的产品设计中，汲及光学系统类的产品或者模组，大家都可以看到厂家会在镜头、光源、传感器前方放置一个透明面板；那这个是什么原因呢？下面简单罗列一下这个面板作用与意义：

• 用于保护元器件不受外部锐利的物品划伤或者破坏；
• 用于遮挡灰尘，避免灰尘附着在元器件上不方便清理，从面影响产品性能；
• 面板可以让产品看起来比较美观并使得产品ID更加合理。

二、面板对ToF光学系统的影响

2.1 ToF系统光路分析

ToF系统中光学部分主要的元器件包括激光Vecsel、Diffuser、ToF sensor、窄带滤光片、镜头、面板。激光Vecsel发射的光线，首先经过Diffuser后均匀的投射到场景中，在光线到达场景之前经过面板会在两个界面上发生反射，第一层界面的反射在1区域内有可能会进入到Rx部分；第二层界面的反射光路到达第一界面后一部分会出现多次反射，一部分透射回设备。场景的光线经过面板返回到Rx部分，完成ToF系统光路的闭环使用。因此，在ToF系统中，增加面板相当于增加了两个反射面与一个透射率为x的介质。

2.2 对于ToF深度影响分析

第一界面反射影响
第一界面指的是面板的内表面，Vecsel投射的光线到达面板的第一界面后，大部分光线会通过面板到达目标场景，但会有一小部分被反射回来，而靠近Tof sensor一侧反射回来的光线存在一定的概率会被ToF sensor吸收，吸收量虽然非常小，但由于距离近，不可忽略，其会影响到Raw phase的信噪比。对近距离信噪比比较高的测量点，其影响较小，但是对于低反或者远距离的点则会影响ToF的测量精度，且引入可见多路径干扰噪声。

第二界面反射的影响
第二界面指的是面板的外表面，外表面一方面对于出射光会反射一部分回设备，无法透射到场景中；另一方面的回程光会反射一部分光，从而使得这一部分光信号不会被ToF sensor接收。降低了光的有效使用效率。这块的影响实际上第一界面也同样存在。

面板介质内串扰影响
串扰是由于第一界面与第二界面之间反复反射导致光信号沿着面板内部传导引起的。从Tx部分传导到Rx部分的光信号一部分会被ToF sensor吸收，从而影响到Raw phase图，进而引起Tof测量误差。

面板透射率的影响
首先，透射率越低，ToF系统的光功率有效使用率就会比较低，这是显而易见的，因此提升面板本身的透射率有助于ToF的光功率的利用效率。
其次，再来看看面板透射率不变的情况下，透射率对于不同FoV的影响；Vecsel发射光线，经第一界面到面板内部，光信号从光疏介质进入光密介质；假定空气折射率为 ，面板折射率为 ，忽略面板对光的吸收，光的边缘入射角为 ，由菲涅尔公式可得到：

t为振幅透射率，T为光强透射率；

由表1数据可知，光从光疏介质向光密介质入射时，入射角大于20度后，振幅透射率垂直分量减小速度加快。入射角增加到80度时，平行分量、垂直分量减小的差距进一步加大。而透射光的光强透射率也随着入射角的增加而减小。因此对于同一面板，对于ToF系统边缘的透射率存在一定程度的下降，连同镜头shading等问题会加剧边缘光的有效接收衰减程度。

三、面板的选型与设计策略

因此，基于以分析，在设计或者对面板进行选型时，可以从以下几个方面来规避相关问题并提升性能：

• 对于第一界面反射的影响可以通过硅胶套或者压缩面板与Tx、Rx的距离来得到抑制；硅胶套可以阻隔Tx与Rx之前的第一界面反射，而拉近距离则能抑制反射光影响的途径。
• 对于第二界面反射与串扰，可通过分别设计Tx与Rx独立面板阻断光的串扰；对于Tx与RX采用两块独立面板，使得内部串扰不可传递，从而降低影响。
• 对于ToF调制光需要两次通过面板，其衰减是平方关系，因此有必要增加面板增透涂层，提升透过率，提升ToF有效功率。
• 对于大FoV的ToF光学系统设计，以第一界面的视角来看，其边缘的入射角变大，透射率下降，因此需要平衡光功率、产品使用距离、环境精度要求之间的关系，使得ToF可以有一个很好的性能表现。

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