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，它通過向目標發射激光束，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中扮演重要的光學元件，它們不僅負責發射和接收激光束，還通過特定的光學設計實現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

激光雷達系統通常包括激光發射器、掃描系統、光電探測器和信號處理器等關鍵部件。其中，掃描系統是實現激光束方向控制和掃描的關鍵，而光學鏡片則是掃描系統的核心組成部分。這些鏡片可能包括發射鏡片、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

發射鏡片，負責將激光發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散度照射到目標物體上。發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，用于保障內部光學元件的清潔和穩定。

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射和接收過程中保持所需的形狀和發散度。這通常通過透鏡等光學元件來實現。

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、優化鏡片設計和散熱系統等。 

振動和沖擊：在移動或振動環境中，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。

環境適應性：不同環境條件下（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境適應性測試和優化鏡片設計以適應不同環境條件。