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背景说明

本文介绍了激光雷达的相关概念，在此基础上针对Flash类激光雷达进行光学镜头的设计。

什么是激光雷达

机械式、半固态（又叫混合固态）和固态三种。

机械式激光雷达

机械式激光雷达通过电机带动光机结构整体 360° 旋转，能对周遭环境进行全方位的扫描，这是激光雷达最经典的技术方案。然而机械式雷达体积大成本高，并不适用于车规级量产市场。

半固态激光雷达

将原本体积较大的机械结构通过MEMS工艺进行微型化和集成化，大幅简化了扫描结构。目前主要是通过MEMS微镜来实现垂直方面的一维扫描，整机360度水平旋转来完成水平扫描。半固态激光雷达又分为一维扫描和二维扫描两种技术方案。

一维扫描方案，通过在垂直方向配置多个激光器实现垂直范围覆盖；通过振镜的旋转进行水平方向扫描，要在垂直方向获得更高的分辨率，那就只能加多激光器数量，比如目前已经有128线激光雷达。一维扫描采用仅在水平方向上低速转动的反射镜来改变光线方向，获得视场角覆盖，稳定性和可靠性更高。

二维转镜方案，由一个在横轴不断旋转的多边形棱镜和一个可以在纵轴摆动的振镜组成，不断旋转的多边形棱镜可以让光源实现水平扫描，而同时纵轴摆镜则可以改变光源的垂直扫描方向。这种设计方案，仅需一束光源，就可以完成扫描任务，由于单束激光能量大，探测距离就可以做很远，但要求扫描频率非常高，这就给扫描器件带来了可靠性方面的挑战。

固态激光雷达

Flash方案是通过高密度的激光源阵列，像手电筒一样，能在短时间内发射出覆盖一片区域的激光，并用高灵敏度的接收器来构建三维图像。为了提升发射和接收效率，通常会在发射器件和接收器件前面加装集光镜头。

固态激光雷达镜头设计

介绍完激光雷达的激光概念后，我们来设计一款Flash雷达用的镜头。

初步设计结果如下所示：

Rx镜头主要是做识别，所以分辨率不能太低。

把镜头导入LTs软件中，逆向追迹可以模拟出被照射区域的范围。

这里还存在一个问题，VCSEL阵列和CMOS感光芯片的尺寸通常不一样，这样有可能导致Tx和Rx没办法共用镜头，我们在设计的时候确保Tx和Rx两个镜头的畸变曲线尽量保持一致，这样两个镜头收发之间产生畸变补偿，最终的点云图畸变保证在很小的范围。

总结：

原文始发于微信公众号（唯比科技）：固态激光雷达系统设计