激光雷达扫描光学镜片分析

激光雷达（Light Detection and Ranging，简称LiDAR）是一种利用激光束进行测距和测速的雷达系统，它通过向目标发射激光束，并接收从目标反射回来的激光信号（即目标回波），从而获取目标的位置、速度、形状等参数信息，而激光雷达扫描光学镜片，是一种在激光雷达系统中扮演重要的光学元件，它们不仅负责发射和接收激光束，还通过特定的光学设计实现激光束的精确控制和扫描。

一、激光雷达扫描光学镜片的基本组成

激光雷达系统通常包括激光发射器、扫描系统、光电探测器和信号处理器等关键部件。其中，扫描系统是实现激光束方向控制和扫描的关键，而光学镜片则是扫描系统的核心组成部分。这些镜片可能包括发射镜片、接收镜片、扫描镜片（如振镜）等。

(MEMS扫描激光雷达)

二、光学镜片的作用

发射镜片，负责将激光发射器产生的激光束进行准直和整形，以确保激光束以特定的形状和发散度照射到目标物体上。发射镜片一般包括透镜或透镜组、反射镜等光学元件，透镜或透镜组是发射镜片中最核心的部分，它们负责将激光器产生的激光束进行准直和整形。反射镜的主要作用是将激光束引导到特定的方向，或者将激光束从一个位置反射到另一个位置。

接收镜片：用于收集从目标物体反射回来的激光信号。接收镜片的设计需要优化光线的收集效率，并减少背景噪声和干扰光的影响。为了提高接收效率，接收镜片通常采用高反射率或高透过率的镀膜处理。接收镜片一般包括透镜或透镜组、滤光片（如905nm滤光片、940nm滤光片、1550nm滤光片）、分束器和防护罩或视窗。

（图源网络，侵删）

透镜或透镜组：负责将反射回来的激光束进行聚焦和整形，以便探测器能够准确地捕捉到光信号。

滤光片：在接收镜片中起着关键作用，它只允许特定波段的光信号通过，而阻挡其他波段的光信号，这有助于减少背景噪声和干扰，提高信号质量。

分束器：（某些复杂激光雷达系统会用到）将接收到的激光束分割成多个部分，以便同时探测多个方向或角度的反射光。

(芯片级激光雷达，图源网，侵删)

防护罩或视窗是接收镜片的外部保护结构，它用于防止灰尘、水雾等外界污染物进入接收系统，用于保障内部光学元件的清洁和稳定。

扫描镜片：如振镜，通过旋转或振荡来控制激光束的方向和角度，实现对目标物体的全方位扫描。扫描镜片的设计需要考虑扫描的速度、精度和范围，以确保有效的数据采集。

三、光学镜片的设计考虑因素

波长：激光雷达使用的激光波长会影响镜片的材料选择和镀膜设计。不同波长的激光对镜片的透过率和反射率有不同的要求。

光束整形：镜片的设计需要确保激光束在发射和接收过程中保持所需的形状和发散度。这通常通过透镜等光学元件来实现。

扫描机制：扫描镜片的设计需要考虑扫描的速度、精度和范围。例如，振镜的设计需要确保其在旋转或振荡过程中能够稳定地控制激光束的方向和角度。

镀膜：镜片表面通常会进行镀膜处理以提高其透过率、反射率或抗反射性能。镀膜的选择和设计需要根据具体的应用场景和需求来确定。

材料：镜片的材料选择需要考虑其光学性能、机械性能以及热稳定性等因素。常用的镜片材料包括光学玻璃、石英、氟化钙等。

四、光学镜片的挑战与解决方案

热效应：高功率激光束在镜片上会产生热效应，导致镜片变形或损伤。解决方案包括使用高耐热性材料、优化镜片设计和散热系统等。 

振动和冲击：在移动或振动环境中，镜片可能会受到冲击或振动的影响而导致性能下降。解决方案包括加强镜片的固定和支撑结构、使用减震材料等。

环境适应性：不同环境条件下（如温度、湿度、气压等）镜片的性能可能会有所变化。解决方案包括进行环境适应性测试和优化镜片设计以适应不同环境条件。