激光雷達(dá)掃描光學(xué)鏡片分析

激光雷達(dá)（Light Detection and Ranging，簡(jiǎn)稱LiDAR）是一種利用激光束進(jìn)行測(cè)距和測(cè)速的雷達(dá)系統(tǒng)，它通過(guò)向目標(biāo)發(fā)射激光束，并接收從目標(biāo)反射回來(lái)的激光信號(hào)（即目標(biāo)回波），從而獲取目標(biāo)的位置、速度、形狀等參數(shù)信息，而激光雷達(dá)掃描光學(xué)鏡片，是一種在激光雷達(dá)系統(tǒng)中扮演重要的光學(xué)元件，它們不僅負(fù)責(zé)發(fā)射和接收激光束，還通過(guò)特定的光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)激光束的精確控制和掃描。

一、激光雷達(dá)掃描光學(xué)鏡片的基本組成

激光雷達(dá)系統(tǒng)通常包括激光發(fā)射器、掃描系統(tǒng)、光電探測(cè)器和信號(hào)處理器等關(guān)鍵部件。其中，掃描系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)激光束方向控制和掃描的關(guān)鍵，而光學(xué)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(dá))

二、光學(xué)鏡片的作用

發(fā)射鏡片，負(fù)責(zé)將激光發(fā)射器產(chǎn)生的激光束進(jìn)行準(zhǔn)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(biāo)物體上。發(fā)射鏡片一般包括透鏡或透鏡組、反射鏡等光學(xué)元件，透鏡或透鏡組是發(fā)射鏡片中最核心的部分，它們負(fù)責(zé)將激光器產(chǎn)生的激光束進(jìn)行準(zhǔn)直和整形。反射鏡的主要作用是將激光束引導(dǎo)到特定的方向，或者將激光束從一個(gè)位置反射到另一個(gè)位置。

接收鏡片：用于收集從目標(biāo)物體反射回來(lái)的激光信號(hào)。接收鏡片的設(shè)計(jì)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(guò)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(hù)罩或視窗。

（圖源網(wǎng)絡(luò)，侵刪）

透鏡或透鏡組：負(fù)責(zé)將反射回來(lái)的激光束進(jìn)行聚焦和整形，以便探測(cè)器能夠準(zhǔn)確地捕捉到光信號(hào)。

濾光片：在接收鏡片中起著關(guān)鍵作用，它只允許特定波段的光信號(hào)通過(guò)，而阻擋其他波段的光信號(hào)，這有助于減少背景噪聲和干擾，提高信號(hào)質(zhì)量。

分束器：（某些復(fù)雜激光雷達(dá)系統(tǒng)會(huì)用到）將接收到的激光束分割成多個(gè)部分，以便同時(shí)探測(cè)多個(gè)方向或角度的反射光。

(芯片級(jí)激光雷達(dá)，圖源網(wǎng)，侵刪)

防護(hù)罩或視窗是接收鏡片的外部保護(hù)結(jié)構(gòu)，它用于防止灰塵、水霧等外界污染物進(jìn)入接收系統(tǒng)，用于保障內(nèi)部光學(xué)元件的清潔和穩(wěn)定。

掃描鏡片：如振鏡，通過(guò)旋轉(zhuǎn)或振蕩來(lái)控制激光束的方向和角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的全方位掃描。掃描鏡片的設(shè)計(jì)需要考慮掃描的速度、精度和范圍，以確保有效的數(shù)據(jù)采集。

三、光學(xué)鏡片的設(shè)計(jì)考慮因素

波長(zhǎng)：激光雷達(dá)使用的激光波長(zhǎng)會(huì)影響鏡片的材料選擇和鍍膜設(shè)計(jì)。不同波長(zhǎng)的激光對(duì)鏡片的透過(guò)率和反射率有不同的要求。

光束整形：鏡片的設(shè)計(jì)需要確保激光束在發(fā)射和接收過(guò)程中保持所需的形狀和發(fā)散度。這通常通過(guò)透鏡等光學(xué)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

掃描機(jī)制：掃描鏡片的設(shè)計(jì)需要考慮掃描的速度、精度和范圍。例如，振鏡的設(shè)計(jì)需要確保其在旋轉(zhuǎn)或振蕩過(guò)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(huì)進(jìn)行鍍膜處理以提高其透過(guò)率、反射率或抗反射性能。鍍膜的選擇和設(shè)計(jì)需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和需求來(lái)確定。

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

四、光學(xué)鏡片的挑戰(zhàn)與解決方案

熱效應(yīng)：高功率激光束在鏡片上會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，導(dǎo)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(shè)計(jì)和散熱系統(tǒng)等。 

振動(dòng)和沖擊：在移動(dòng)或振動(dòng)環(huán)境中，鏡片可能會(huì)受到?jīng)_擊或振動(dòng)的影響而導(dǎo)致性能下降。解決方案包括加強(qiáng)鏡片的固定和支撐結(jié)構(gòu)、使用減震材料等。

環(huán)境適應(yīng)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(huì)有所變化。解決方案包括進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試和優(yōu)化鏡片設(shè)計(jì)以適應(yīng)不同環(huán)境條件。