激光雷達掃描光學鏡片分析

2024-08-02 派大莘

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。


激光雷達掃描光學鏡片分析 


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激光雷達掃描

(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。


 激光雷達的構成

(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

(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。


 車載掃描激光雷達


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。