乘員艙大角度飛行時間相機的設計與驗證

吳鳳占　周可

【摘要】針對汽車乘員艙飛行時間（TOF）相機可視角度小、無法兼顧前排所有成員等問題，提出一種TOF相機設計方案，通過熱設計仿真的方式解決了TOF相機的散熱問題，并通過對TOF相機鏡頭的光學設計與仿真，有效擴大了相機的視場角（FOV），同時進行了完整的設計驗證試驗，結果表明，該系統完整實現了TOF相機的功能，并可以大角度視場覆蓋車內前排乘員，且滿足車規級性能要求。

關鍵詞：飛行時間相機 視場角 高功率垂直腔面發射激光器

中圖分類號：TN219? ? 文獻標志碼：A? ?DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20230367

Large FOV TOF Camera Design and Validation in Cabin

Wu Fengzhan， Zhou Ke

（ZF Automotive Technology Co.， Ltd， Shanghai 210600）

【Abstract】Current Time Of Flight （TOF） camera products have problems such as small viewing angle， and inability to consider all passengers in the front row. To address this issue， this article proposed a design method for TOF cameras， which solved the heat dissipation problem through thermal design simulation， and effectively expanded the cameras Field Of View （FOV） through optical design and simulation of the TOF camera lens. At the same time， a complete design verification test was conducted to verify the performance of the TOF camera product. The results show that the system fully realizes the functions of the TOF camera， cover the passengers in the front row with a large FOV， and meets the performance requirements of the automotive grade.

Key words： Time Of Flight （TOF） camera， Field Of View （FOV）， High power Vertical-Cavity Surface-Emitting Lighting （VCSEL）

【引用格式】吳鳳占， 周可. 乘員艙大角度飛行時間相機的設計與驗證[J]. 汽車技術， 2024（3）： 35-42.

WU F Z， ZHOU K. Large FOV TOF Camera Design and Validation in Cabin[J]. Automobile Technology， 2024（3）： 35-42.

1 前言

飛行時間（Time Of Flight，TOF）相機已廣泛應用于工業安防、消費電子等領域，在汽車領域的應用還處于起步階段。

目前，針對TOF相機的研究大部分聚焦于其誤差校正與空間匹配問題。文獻[1]總結了TOF相機的原理并提出了極限學習機（Extreme Learning Machine，ELM）空間匹配模型。文獻[2]闡述了相機二維數據與空間三維數據的一種融合方法。文獻[3]結合TOF相機的應用提出了一種光學鏡頭的優化方法。由于TOF相機屬于新型產品，其工程應用方案設計研究仍較少涉及，行業內關于TOF相機系統構成的研究較少。文獻[4]提出了一種TOF相機的設計方案，但主要基于制造商提供的原始設計方案，為便于實現上位機的功能，增加了很多冗余設計，性價比較差，無法量產應用。文獻[5]設計了一種TOF相機的主芯片，但未形成系統方案。

因此，本文根據車載應用需求，在滿足車規級要求的條件下，提出一種低成本的TOF相機解決方案，并進行試驗驗證。

2 TOF相機成像原理

TOF相機通過發射端發射一定波長的光束，并通過接收端接收該光束，從而測量光束的往返時間，計算反射目標點與相機的距離。

TOF技術分為直接飛行時間（direct Time Of Flight，dTOF）和間接飛行時間（indirect Time Of Flight，iTOF）兩類。iTOF技術從實現方式上又分為基于脈沖波（Pulse Wave，PW）和基于連續波（Continuous Wave，CW）兩種，區別為光波的調制方式不同，本文主要針對連續波技術進行研究。

iTOF的測距原理為，由激光發射器調制一定波長的紅外光，圖像傳感器在曝光時間內接收反射光并進行光電轉換，曝光結束后讀取曝光（積分）時間內累計的電荷數，經過模擬轉數字信號單元將電荷差對應到每個像素的相位偏移。常用算法為四相位采樣算法，利用4個相位延遲分別為0°、90°、180°和270°的采樣信號計算深度。計算發射端與接收端的相位差，從而獲得目標物體的距離信息。

如圖1所示，接收信號的光強分別表示為I1、I2、I3、I4，可以看出，接收信號光強比發射信號光強低。對接收光強進行積分可得TOF相機測得的距離為[4]：

式中：d為相機與被測物體的距離，f為調制頻率，c為光速。

iTOF技術的優點是圖像分辨率較高，一般可以達到640像素×480像素分辨率級別，且相機模組類似于傳統相機，故制造工藝較簡單、成本較低。但iTOF技術不同位置距離計算出的相位偏移均會落在0～2π范圍內，因此相同的相位解算結果對應不同的距離結果，即存在模糊距離的問題，且無法做到遠距離探測[6]。

整車乘員艙內監控應用場景中，所需測量距離較短，且后期算法對圖像分辨率要求較高，因此一般選擇iTOF技術方案。

3 iTOF相機設計方案

3.1 總體設計方案

iTOF相機的整體電氣設計方案采用全車規級電子器件設計，并采用兩級電源為系統供電，使用串行器將TOF的信號輸出，iTOF相機的系統設計框圖如圖2所示。

3.2 鏡頭設計

TOF相機主要接收波長為940 nm的紅外光源，因此相機上主要使用紅外鏡頭，紅外鏡頭與普通鏡頭在鏡片材料、濾波特性、光源折射率上有較大差異[7]。本文設計的TOF相機主要應用在乘員艙內，周邊環境較為固定，乘員艙內尺寸和測試目標的距離范圍變化不大，因此紅外鏡頭主要采用定焦鏡頭，同時視場范圍需覆蓋駕駛員和前排乘員。根據此應用場景進行產品光學設計目標的拆分，鏡頭的設計指標如表1所示。

3.2.1 鏡片設計

TOF相機的鏡頭設計主要分為鏡片、鏡筒和底座的設計，其中鏡筒和底座的設計以機械設計為主，鏡片設計主要是光學設計，主要在Zemax-OpticalStudio光學仿真軟件中進行。

3.2.1.1 調制傳遞函數

調制傳遞函數（Modulation Transfer Function，MTF）表征成像系統將分辨率轉換為對比度的能力。

MTF的仿真結果如圖3所示，其中，視場設置為0F、0.3F、0.5F、0.7F、0.9F、1.0F。1.0F指1視場，即鏡頭對角尺寸像高所對應的角度，頻率最高設置為50 線對/mm，Ny=500/pe（pe為像元尺寸）為極限頻率。從圖3中可以看出，0F的解像力>0.6 周期/mm，在0.5F的角度上解像力大于0.5 周期/mm，在0.7F的角度上解像力大于0.3 周期/mm，鏡頭的解像力足夠，滿足TOF相機的設計要求。

3.2.1.2 標準點列圖

理想光學系統的點列圖（Spot Diagram）為一個點，但由于實際光學系統存在各種公差，所以點列圖表現為一個彌散斑，本文TOF鏡頭的點列圖仿真結果如圖4所示，其中，L為像面距離，α為物面角度。

由圖4可以看出，點列圖的像面在不同的視場中呈現不同的彌散范圍，最終彌散斑的直徑均小于艾里斑（Airy Spot），滿足光學系統的工作要求。

3.2.1.3 垂軸色差

垂軸色差（Lateral Color）的仿真結果如圖5所示。由圖5可以看出，垂軸色差在940 nm處表現出非常低的色偏特性，在930～950 nm的波長范圍內，以整個艾里斑為邊界，最大視場角可以達到77.052 6°，滿足設計要求。

3.2.1.4 軸向像差

軸向像差（Longitudinal Aberration）的仿真結果如圖6所示。由圖6可知，初始和中間位置的軸向像差較大，但是最終在0.6倍入瞳處減小為0，可以接受。

3.2.1.5 場曲和畸變

通過Zemax仿真鏡頭設計的場曲和畸變（Field Curvature and Distortion）如圖7所示?？梢钥闯?，子午面和弧矢面處的場曲分別為0.111 9 mm和0.042 3 mm，整個鏡頭的場曲較小，滿足設計要求。

3.2.1.6 相對照度

相對照度（Relative Illumination）是指平面不同坐標點的照度與中心照度之比，計算公式為：

式中：E為相對照度，E0為中心點相對照度，ω為像方視場角。

相對照度的仿真結果如圖8所示。從圖8中可以看出，940 nm紅外光入射最大視場角（77.1°）處的相對照度大于40%，滿足本文對圖像傳感器的要求。

通過以上分析可以看出，TOF鏡頭的設計在仿真優化后，在有效視場角范圍內，可以實現較高的對比度，同時成像通透，分辨率和銳度高，成像清晰。此外，MTF弧矢方向和子午方向上的曲線接近，說明鏡頭的成像偏自然，無過度虛化產生。

3.2.2 鏡筒設計

鏡筒的設計需考慮整車的環境適應性，即表1提出的環境和適應性要求。鏡筒的材料選擇需考慮防水、輕量化、體積小的需求，并保證在高、低溫環境下的形變小，避免對鏡頭的焦距及光圈數產生影響。目前，典型的鏡筒材料特性[8]如表2所示。

上述材料中，ZTC4和7A09均符合使用要求，綜合材料特性和性價比，鏡筒和底座采用7A09鋁合金，并使用氧化發黑工藝提高鏡筒的光學性能。

為保證TOF鏡頭更好地接收920～960 nm波長的紅外光，在TOF相機底部鏡片上貼敷一塊紅外光濾波器，用于過濾920～960 nm波長范圍外的光線[9]。此外，在TOF相機鏡桶上設計螺紋結構，用于鏡筒與鏡頭底座的連接。鏡頭總長小于20 mm，滿足設計要求，鏡頭設計如圖9所示。

3.3 激光發射器設計

激光發射器采用垂直腔面發射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Lighting，VCSEL），相比于其他激光發射器，其具有體積小、集中輸出激光功率高、光束質量高、精度高、波長受溫度的影響小、壽命長的特點。針對車規級TOF的應用，VCSEL器件需要滿足車規級的工作溫度范圍、環境和可靠性的要求。

根據文獻[10]中的光量子結論，TOF相機的光功率計算公式為：

式中：Psource為光源功率，Ne為自然界中的光子數量，Aimg為光學傳感器的感光面積，Apixel為光學傳感器上的像素面積，h為普朗克常數，ρ為被測物體的反射系數，D為鏡頭的光圈孔徑，L為被測物體與相機的距離，Klens為相機鏡頭和光譜濾波器光功率損耗系數，E（λ）為傳感器在波長為λ時的量子效率，λ為光波長，Texp為傳感器的曝光時間。

由式（5）可以看出，TOF相機的發射功率與傳感器的量子效率、像素感光面積、光譜濾波器、相機曝光時間、鏡頭相關參數及物體的反射率、測量距離均有關。根據乘員艙內應用場景設置最大探測距離為3 m，按照表1中鏡頭的設計參數，以及VCSEL 940 nm的紅外光條件，假設被測物體為黑色，反射率為0.1，VCSEL的最小發射功率為8.924 W，故選擇Lextar的PV85QE4系列激光發射器，VCSEL端的發射角度不小于130°×110°，順向電流4.5 A、單顆功率6.5 W，選用2顆VCSEL進行串聯，該VCSEL器件的視場角及典型的發射光強密度仿真結果如圖10所示。

VCSEL中燈的驅動使用一個快速開關N型金屬-氧化物-半導體（N-Metal-Oxide-Semiconductor，NMOS）管作為驅動控制單元，整個VCSEL的發光控制由感光芯片MLX75027的低電壓差分信號（Low Voltage Differential Signaling，LVDS）總線輸出。LVDS總線不具有驅動能力，因此將LVDS總線轉換成互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）單端信號驅動快速開關NMOS管。VCSEL激光發射器的電路設計框圖如圖11所示。

3.4 相機結構設計

相機的硬件分為主板、感光板，主板和感光板之間采用軟排線連接。鏡頭底座通過螺釘固定在主板上，與鏡筒采用螺紋安裝，調焦后粘接固定。發光板采用螺釘固定在外殼上，TOF相機的外殼分為上、下殼2個部分，考慮到散熱性能，上、下殼均使用A380鋁合金材質，采用壓鑄鋁工藝加工。TOF相機的部件裝配圖如圖12所示。

整個TOF相機的尺寸為95 mm×35 mm×21 mm，適合整體安裝在整車頂棚、內后視鏡及閱讀燈位置。另外，根據不同的整車配置要求，可以與中控屏幕集成，實現屏下相機方案。

4 TOF相機的仿真與測試

除基本光學仿真外，還需考慮熱特性。TOF相機需要滿足在車規環境中的-40～85 ℃的環境使用要求，同時，考慮到芯片的熱穩定性，最高溫升不能超過結溫，另外，溫漂對測量精度也存在一定影響。

使用ANSYS進行熱特性仿真，在ANSYS中進行建模，如圖13所示，底部為傳感器板，傳感器板上布置了感光芯片、電源芯片、串行器等，下板的材質為FR-4鋪銅，6層印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）設計，鋪銅率為75%，上層為發光板。

TOF相機的熱設計主要進行以下優化：對傳感器中的PCB設計走線進行優化，增加周圍覆銅，并且增加散熱孔；底部增加散熱硅膠，并使其接觸到TOF的鑄鋁外殼，增加散熱面積；外殼增加散熱鰭。將優化后的設計方案導入ANSYS后，主要器件的仿真結果如表3所示，其中，Rjc、Rjb分別為芯片的結合部到芯片封裝表面、PCB的熱阻。

由表3可以看出，經散熱優化后，整體溫度有所下降，根據器件的最高結合點的溫度來判斷，目前主要器件的熱溫升結果均滿足高溫85 ℃下的使用要求。

5 TOF相機的軟件設計

5.1 軟件框架

TOF相機主要的應用層軟件運行在主機側，主機側的軟件包含了TOF傳感器的寄存器設定、工作模式控制等功能。主機和TOF傳感器側主要使用集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，IIC）進行通信，從原始數據中分離出灰度圖像，深度圖像的提取及深度圖像與灰度圖像的空間匹配主要由主機側算法完成。同時，主機側算法進行原始圖像的噪聲去除、失效像素的過濾等。圖像數據通過視頻串行通訊（Flat Panel Display Link Ⅲ，FPD-LINK Ⅲ）總線協議進行數據的傳輸。TOF相機的軟件框架如圖14所示。

5.2 測試驗證

TOF相機的測試驗證分為系統調試（包括TOF鏡頭的內參測試，上位機軟件的匹配調試等）和對TOF相機測量的目標點距離進行標定比較2個步驟。系統調試框圖如圖15所示，所有測試在試驗室環境下進行，如圖16所示。

通過對整個系統進行聯調測試，完整地調試通過了TOF相機系統，并對TOF的鏡頭內參進行了校正，校正結果如表4所示。

相機標定完成后，使用上位機軟件顯示相機的深度圖及3D點云，如圖17所示。

5.3 室內外測試

為了考察不同光線環境對TOF相機深度數據結果的影響，在標定完成后進行了室外強、弱光環境的距離精度測試，測試采用TOF相機三腳架加標定板進行，測量位置為TOF相機光心到棋盤格中心位置，距離參考以激光筆讀數進行比對，測試環境如圖19所示。

TOF的距離精度測試主要考察環境光對結果的影響，因此，在室外晴天強光、陰天弱光及夜晚條件下進行測試，為消除數據抖動，以1 m距離為參考，每種環境下測試多次取中位數，得到室外測試的結果如表5所示。

由以上結果可以看出，TOF相機在晴天和陰天弱光環境下表現良好，夜晚測試結果偏差較白天環境大，主要是夜間環境發射紅外光減少所致，后續需要考慮進行算法的優化補償。

5.4 性能測試結果

按照汽車行業通用標準GB/T 28046.2—2019《道路車輛 電氣及電子設備的環境條件和試驗 第2部分：電氣負荷》及GB/T 28046.4—2011《道路車輛 電氣及電子設備的環境條件和試驗 第4部分：氣候負荷》進行摸底測試，結果如表6所示。

由以上結果可以看出，設計方案通過了基礎的設計試驗，滿足車規使用要求。

6 結束語

本文基于乘員艙內TOF相機的應用設計了一種大角度TOF相機，并對設計的TOF相機進行了光學仿真分析和熱分析，針對分析發現的問題進行了設計優化。通過對TOF相機的設計打樣后對TOF相機的整體功能以及性能進行了測試，結果表明，所提出的TOF相機設計方案可以滿足乘員艙內前、后排乘員監控的應用要求，同時性能滿足車規級應用的需求。

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（責任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2023年9月14日。