激光雷達掃描光學鏡片分析

激光雷達（Light Detection and Ranging，簡稱LiDAR）是一種利用激光束進行測距和測速的雷達系統(tǒng)，它通過向目標發(fā)射激光束，并接收從目標反射回來的激光信號（即目標回波），從而獲取目標的位置、速度、形狀等參數信息，而激光雷達掃描光學鏡片，是一種在激光雷達系統(tǒng)中扮演重要的光學元件，它們不僅負責發(fā)射和接收激光束，還通過特定的光學設計實現(xiàn)激光束的精確控制和掃描。

一、激光雷達掃描光學鏡片的基本組成

激光雷達系統(tǒng)通常包括激光發(fā)射器、掃描系統(tǒng)、光電探測器和信號處理器等關鍵部件。其中，掃描系統(tǒng)是實現(xiàn)激光束方向控制和掃描的關鍵，而光學鏡片則是掃描系統(tǒng)的核心組成部分。這些鏡片可能包括發(fā)射鏡片、接收鏡片、掃描鏡片（如振鏡）等。

(MEMS掃描激光雷達)

二、光學鏡片的作用

發(fā)射鏡片，負責將激光發(fā)射器產生的激光束進行準直和整形，以確保激光束以特定的形狀和發(fā)散度照射到目標物體上。發(fā)射鏡片一般包括透鏡或透鏡組、反射鏡等光學元件，透鏡或透鏡組是發(fā)射鏡片中最核心的部分，它們負責將激光器產生的激光束進行準直和整形。反射鏡的主要作用是將激光束引導到特定的方向，或者將激光束從一個位置反射到另一個位置。

接收鏡片：用于收集從目標物體反射回來的激光信號。接收鏡片的設計需要優(yōu)化光線的收集效率，并減少背景噪聲和干擾光的影響。為了提高接收效率，接收鏡片通常采用高反射率或高透過率的鍍膜處理。接收鏡片一般包括透鏡或透鏡組、濾光片（如905nm濾光片、940nm濾光片、1550nm濾光片）、分束器和防護罩或視窗。

（圖源網絡，侵刪）

透鏡或透鏡組：負責將反射回來的激光束進行聚焦和整形，以便探測器能夠準確地捕捉到光信號。

濾光片：在接收鏡片中起著關鍵作用，它只允許特定波段的光信號通過，而阻擋其他波段的光信號，這有助于減少背景噪聲和干擾，提高信號質量。

分束器：（某些復雜激光雷達系統(tǒng)會用到）將接收到的激光束分割成多個部分，以便同時探測多個方向或角度的反射光。

(芯片級激光雷達，圖源網，侵刪)

防護罩或視窗是接收鏡片的外部保護結構，它用于防止灰塵、水霧等外界污染物進入接收系統(tǒng)，用于保障內部光學元件的清潔和穩(wěn)定。

掃描鏡片：如振鏡，通過旋轉或振蕩來控制激光束的方向和角度，實現(xiàn)對目標物體的全方位掃描。掃描鏡片的設計需要考慮掃描的速度、精度和范圍，以確保有效的數據采集。

三、光學鏡片的設計考慮因素

波長：激光雷達使用的激光波長會影響鏡片的材料選擇和鍍膜設計。不同波長的激光對鏡片的透過率和反射率有不同的要求。

光束整形：鏡片的設計需要確保激光束在發(fā)射和接收過程中保持所需的形狀和發(fā)散度。這通常通過透鏡等光學元件來實現(xiàn)。

掃描機制：掃描鏡片的設計需要考慮掃描的速度、精度和范圍。例如，振鏡的設計需要確保其在旋轉或振蕩過程中能夠穩(wěn)定地控制激光束的方向和角度。

鍍膜：鏡片表面通常會進行鍍膜處理以提高其透過率、反射率或抗反射性能。鍍膜的選擇和設計需要根據具體的應用場景和需求來確定。

材料：鏡片的材料選擇需要考慮其光學性能、機械性能以及熱穩(wěn)定性等因素。常用的鏡片材料包括光學玻璃、石英、氟化鈣等。

四、光學鏡片的挑戰(zhàn)與解決方案

熱效應：高功率激光束在鏡片上會產生熱效應，導致鏡片變形或損傷。解決方案包括使用高耐熱性材料、優(yōu)化鏡片設計和散熱系統(tǒng)等。 

振動和沖擊：在移動或振動環(huán)境中，鏡片可能會受到沖擊或振動的影響而導致性能下降。解決方案包括加強鏡片的固定和支撐結構、使用減震材料等。

環(huán)境適應性：不同環(huán)境條件下（如溫度、濕度、氣壓等）鏡片的性能可能會有所變化。解決方案包括進行環(huán)境適應性測試和優(yōu)化鏡片設計以適應不同環(huán)境條件。