TOF 深度相機的原理與設計 2 光路設計
(註：本文最好與前一部分」TOF 深度相機的原理與設計 1「結合閱讀）
固態TOF相機採用主動式照明，光學部分設計時要考慮到光發射與接收的整體配合，盡量提高系統的靈敏度與抗幹擾性。實際應用時還需考慮光輻射劑量的安全性和器件發熱的影響。
1、照射光波長
與普通相機類似，低成本TOF相機採用硅基的CMOS圖像感測器陣列。感測器的靈敏波段在可見光到近紅外波段部分，如圖1所示：
為減少可見光幹擾，TOF相機應工作於非可見光波段。而紫外光對人體有損傷，因此紅外波段是普通TOF相機照射光源的合適選擇。波長800nm-1000nm附近以保證足夠的靈敏度。
另外水對950nm左右的紅外光有較高的吸收係數。如果室外使用的TOF相機工作在該頻點，雨雪天氣會受到很大的幹擾。
光學帶通濾片(bandpass filter)
為減少環境光的幹擾，TOF相機感測器前面安裝光學帶通濾片以濾除非工作波段的光學。典型濾片的光學特性如圖2:
2、光源的類型與參數
用於小範圍環境的深度TOF相機一般採用flash方式的面光源，可採用LED、VCSEL來實現。LED光源技術成熟，成本低，但其頻閃頻率不超過30MHz。對於精度有要求的TOF系統，需選取更高頻率的激光器件如VCSEL。相較於LED，激光的發散度低，指向性更好，目標反射信號具有更高的信噪比。此外激光器件的發光效率更高，相同散熱條件下，可取得更高的光照強度。移動端TOF相機的應用正是得益於VCSEL的成熟。
發射功率
光源器件關鍵參數是其發射功率。它取決於TOF系統需達到的深度精度。相機感光器件雜訊特性固定情況下，像素需要採集足夠多的反射光子來提升信噪比以達到要求的深度精度。在曝光時間有限的情況下，反射光子數目正比於發射光子數量。因此在容許範圍內，照射功率越高，能達到的深度精度越好。
從像素層面來看，深度精度與採集光子數目 、調製頻率
、深度對比度
相關，即
另一方面，系統所需的總照度還取決於像素數目和光學系統孔徑(aperture)。
因此總的光源功率需根據廠家提供的感測器特性及系統實際工作參數共同決定。
安全標準
TOF相機採用主動式光照，光源過強會對人眼形和皮膚成傷害。因此TOF相機設計時應滿足Eye Safety要求。對於激光光源，應滿足的標準時IEC 60825-1。對於LED光源，對應的標準為IEC 62471:2006。
3、相機光學特性
視場(Field of view，FOV)、光圈（Aperture）和景深(Depth of Field,DoF)是幾個重要的相機光學參數。
3.1 視場(Field of view，FOV)
相機FOV大小由應用決定。對於手機類應用，大的FOV才能保證捕捉目標（如手、臉部等）的動作。而對於家用遊戲機類的應用，目標離相機遠一些二，相對相機活動範圍小，可選取小的FOV。由於相機感測器尺寸和像素大小固定，實際應用的場景範圍大小與目標最小解析度就決定了應用要求達到的FOV。如果選取的FOV過大，則每個像素對應的目標大小增加，相機徑向平面的目標解析度精度就可能達不到要求。
因此FOV設計時要從兩方面考慮。首先是應用場景所要求的範圍大小以及對目標的最小解析度。其次相機感測器的解析度。從性能考慮，前者指標越高越好；而從成本與能耗考慮，後者越低越好。所以設計時二者要折衷匹配。
對既有的相機，其FOV可用鏡頭的焦距f 和感測器有效尺寸D來估算，即 。另外不同方向的FOV可以不同。對於類似自動駕駛的場景，TOF相機的橫向FOV遠大於縱向FOV。因此可以採用線陣感測器來降低功耗成本和提升掃描頻率。
3.2 光圈與景深
光圈與景深是相互制約的一對參數。為儘可能多的獲得反射光子，TOF相機最好採用大的光圈。同時TOF相機光學部分需要足夠的景深來對應用場景一定範圍內的目標清晰成像。然而增加景深會減少光圈，反之亦然。另外成本以限制了大光圈鏡頭的使用。
一個典型的TOF相機應用中，FOV可選取為60-80度，光圈1-2。對於移動類應用的鏡頭來說，對應的景深為0.1毫米左右。
4、成像鏡頭的選擇與設計
TOF相機特別是攜帶型設備上的TOF相機鏡頭物理尺寸有限，在景深要求滿足的條件下應選取光圈大的鏡頭。相機鏡頭多為組合鏡頭，其等效焦距可通過前焦距與後焦距來計算。
主光角(Chief Ray Angle)
由於鏡頭尺寸焦距限制，外來光線只有對光軸正中的像素能夠垂直入射。離開光軸越遠的像素，其入射光與光軸角度越大。主光角是可以聚焦到像素上的最大入射光角度。在此角度的像素其響應不少於零角度像素響應的80%。
現代圖像感測器在每個像素上安裝了Micro lens以聚焦入射光。Micro lens的開口方向與佈局和像素的幾何分佈高度相關。因此相機鏡頭設計時要匹配感測器所需CRA特性。
一般來講，Lens的CRA值一定要小於Sensor的Micro Lens CRA值,否則將會導致成像照度或色彩問題. 鏡頭CRA小於SENSOR CRA 或者鏡頭CRA與SENSOR CRA 接近是最好的，鏡頭CRA和晶元CRA一般三度以內，要求高的有2度以內。
Modulation transfer function(MTF)
與普通光學相機類似，選取合適的MTF才能保證對目標足夠的光學解析度。除了鏡頭的MTF，具體選擇時還要考慮實際的應用要求和感測器MTF特性。
鏡頭與感測器光學區域幾何中心一致
一個容易忽略的問題是像素陣列在CMOS感測器上的位置。由於設計限制，很多時候有效的像素陣列中心與感測器的實際中心並不一致。在安排鏡頭位置時應當使其與像素陣列中心一致以保證預期的光學性能。
5 光學系統引起的成像畸變與圖像降質
TOF相機鏡頭導致的畸變與普通相機類似，包括幾何變形、灰度不均勻等等。
如圖所示，由鏡頭導致的桶形與枕形畸變是最為常見的幾何形變。除了這類徑向畸變，感測器平面與光路沒校準還會引起切向畸變。
以上畸變可通過後期軟體仿射變換來矯正。
非均勻光照
除了畸變，鏡頭直徑或CRA等原因的限制還使得成像面光照不均勻，形成漸暈(Vignetting)效應。對於手機類應用，相機鏡頭尺寸更加受限，這種效果更加明顯。一般情況下，通過像素強度調整來減少其影響。
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