搭載LiDAR的飛機(jī)利用激光脈沖測(cè)距

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，隨著自動(dòng)駕駛汽車從實(shí)驗(yàn)室階段進(jìn)入上路階段，激光雷達(dá)(LiDAR)的“春天”來(lái)了。但是，實(shí)際上LiDAR涉及很多廣泛的應(yīng)用和光學(xué)設(shè)計(jì)，每種都需要獨(dú)特的光學(xué)涂層。

LiDAR技術(shù)第一次引起公眾的注意，要追溯到1971年“阿波羅15號(hào)”登月計(jì)劃。從那時(shí)起，LiDAR在各種各樣的應(yīng)用中沿用至今：從機(jī)載表面測(cè)量到環(huán)境、工業(yè)、安全，從城市規(guī)劃到建筑、事故場(chǎng)景的地面測(cè)繪，以及其他需要詳細(xì)的、自動(dòng)化的三維繪圖的環(huán)境。然而，近年來(lái)，LiDAR在推動(dòng)自動(dòng)駕駛、可視化和游戲的發(fā)展以及在無(wú)人區(qū)進(jìn)行無(wú)人偵察的需求方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。所有這些應(yīng)用程序都需要一雙自動(dòng)的“眼睛”，不僅僅能捕捉圖像，還能提供精確的3D視圖，而且通常是實(shí)時(shí)的。

“阿波羅15號(hào)”登月船登陸月球表面

“阿波羅15號(hào)”從月亮軌道上拍攝的月球表面

什么是LiDAR?

搭載LiDAR的飛機(jī)利用激光脈沖測(cè)距

LiDAR是對(duì)聲納或雷達(dá)進(jìn)行基于光的模擬，常被描述為“激光探測(cè)與測(cè)距”(Light DetecTIon And Ranging)或“激光成像、探測(cè)和測(cè)距”(Light Imaging， DetecTIon， And Ranging)。它是一種基于光的飛行時(shí)間的距離測(cè)量方法。光源(通常是激光)對(duì)視野范圍內(nèi)的物體進(jìn)行掃描。光從物體表面直接反射回來(lái)，被傳感器探測(cè)到，由于光的速度是恒定的，往返時(shí)間可以用來(lái)確定與該物體的距離，從而建立視野范圍的3D地圖。飛行時(shí)間可以直接計(jì)算，也可以使用脈沖光源或經(jīng)調(diào)制后的光源通過(guò)距離選通成像，相位差可以通過(guò)光外差探測(cè)計(jì)算。

Velodyne激光雷達(dá)(LiDAR)演進(jìn)

LiDAR對(duì)光學(xué)涂層的要求

任何一種在某距離發(fā)生散射光的應(yīng)用中，靈敏度最為重要。靈敏度越高，越能提高探測(cè)低反射率物體的精度和能力。同時(shí)，這也有助于使用光強(qiáng)較弱的光源，增加安全性和降低功耗。然而，許多LiDAR工作在室外環(huán)境，因此在操作波段內(nèi)，耐用的窗口和具有高傳輸性的光學(xué)系統(tǒng)顯得十分必要。

在較寬的入射角范圍內(nèi)保持低反射率是LiDAR的關(guān)鍵，圖示為在聚碳酸酯基板上形成的中心值為905納米抗發(fā)射層的反射率隨入射角的變化情況(來(lái)源：AccuCoat， Inc.)

根據(jù)設(shè)計(jì)，可能需要狹窄的V-coat幫助排除寬帶抗反射層(AR coaTIng)的環(huán)境光，從而允許使用多個(gè)波長(zhǎng)。波長(zhǎng)從可見光到近紅外光分布，可匹配不同應(yīng)用程序和環(huán)境的特定需求(從波長(zhǎng)532納米的海洋測(cè)繪到人眼安全的1550納米范圍)。

FOV(Field of View)也因應(yīng)用不同而大相徑庭。甚至在自動(dòng)駕駛車輛市場(chǎng)，一些傳感器也具備360° FOV，而另一些傳感器則被設(shè)計(jì)用于自適應(yīng)巡航控制的保險(xiǎn)杠上?？狗瓷鋵右?guī)范必須考慮到檢測(cè)光學(xué)的設(shè)計(jì)，以確保測(cè)量范圍的所有角度具有高傳輸性。同時(shí)也需要額外的模塊，用于排除環(huán)境光，保護(hù)內(nèi)部光學(xué)或進(jìn)一步改善信噪比。

抗反射層幾何形狀豐富，基板類型多樣

LiDAR應(yīng)用領(lǐng)域豐富，為達(dá)到精度、靈敏度和量程的最佳化，產(chǎn)生了各種不同的抗反射層制備方法，沒(méi)有單一的設(shè)計(jì)方法占主導(dǎo)地位。LiDAR的涂層窗口可以是扁平的、彎曲的或圓柱形的——由整片或部分制成。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)或非球面內(nèi)透鏡，涂層可能需要更換。每種設(shè)計(jì)都是獨(dú)一無(wú)二的。即使在指定的LiDAR產(chǎn)品線，制造商可能會(huì)針對(duì)不同應(yīng)用使用不同的幾何形狀，這要求涂層供應(yīng)商具備在不同幾何形狀基板制備涂層的生產(chǎn)能力。

在LiDAR的光學(xué)涂層中，基板材料的材質(zhì)也呈多樣化，涉及玻璃、塑料、聚合物和有色材料。單點(diǎn)金剛石(SPDT)光學(xué)器件通常處于樣品階段，有的已經(jīng)進(jìn)入復(fù)雜部件的批量生產(chǎn)階段。

均勻性為王

所有LiDAR的光學(xué)涂層對(duì)均勻性都有嚴(yán)格的要求，無(wú)論是單一涂層的表面還是體積。這在自動(dòng)駕駛車輛市場(chǎng)中尤其重要，因?yàn)長(zhǎng)iDAR的作用是導(dǎo)航、接近探測(cè)和保障安全。

工夾具對(duì)涂層均勻性有一定的影響，但多軸涂層系統(tǒng)才是導(dǎo)致區(qū)別的真正因素。確保所有部件的涂層和所有表面的涂層足以應(yīng)對(duì)各種最具挑戰(zhàn)性的幾何形狀的要求。這需要對(duì)機(jī)械和工藝進(jìn)行精細(xì)控制，包括各個(gè)軸的正確旋轉(zhuǎn)速率的選擇，各軸的同步，以及對(duì)腔體內(nèi)沉積速率的精細(xì)控制。多軸涂層使大尺寸光學(xué)薄膜涂層的每一處都保持高度一致的優(yōu)秀性能，并且在批量生產(chǎn)中始終保持一致。

雖然在LiDAR中使用涂層的規(guī)范在光譜意義上講并不復(fù)雜，但使用了不同種類的基板材料、尺寸和幾何形狀。這個(gè)看起來(lái)微不足道的方面，實(shí)質(zhì)上是LiDAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)值得仔細(xì)確認(rèn)的因素，這樣才能最大限度地提高系統(tǒng)性能。