激光雷达光学元件面临哪些挑战？

毫无疑问，技术创新正在重塑汽车行业。将汽车转变成智能机器的概念，提供了终极的出行便利性，同时也显著提高了安全性，着实极具诱惑且令人兴奋。将激光雷达（LiDAR）技术融合到自动驾驶汽车（AV）专用传感器组合中，有望使汽车变得更加智能。过去几年来，激光雷达已经在消费电子领域的无数3D深度感测应用中证明了其准确性和可靠性。
 
目前，激光雷达系统的设计体积往往较庞大，且没有设计美感，一般被安装在汽车顶部，可以探测汽车周围360度的环境。同时，在这些测试车辆的后备箱里还装满了影响日常使用的计算机。其挑战在于成本和性能之间的平衡。目前的激光雷达系统存在信号不足的问题，没有足够的反射光返回传感器以实现长距离感测。在此背景下，要使系统更小、成本更低将面临更大的挑战。
 
据麦姆斯咨询介绍，带通滤波器、分束器和窗口，对激光雷达系统的整体信噪比至关重要。光子信号不足的系统需要尽可能最好的光学器件，以便实现100米以上长距离探测，以及应对雨、雾、雪等各种不利的光照条件。每个光子的丢失，都会对激光雷达系统的性能带来负面影响。从光学角度来看，激光雷达系统面临的主要挑战与信噪比有关：
 
（1）明亮的光线会增加噪音
 
（2）雨、雾、雪等不利条件会导致信号减弱
 
上述两种不利因素都会导致激光雷达系统信噪比降低，影响系统以可接受的分辨率、可靠地探测并识别物体的距离。因此，必须从打造最佳信噪比的高性能光学组件开始。
 
汽车耐久性要求
 
激光雷达系统光学元件的另一个关键特性，是它们需要满足汽车耐久性要求。温度、湿度、振动和紫外线辐射共同构成了一个非常具有挑战性的使用环境。对于传感器外部窗口尤其如此。这些窗口是激光雷达系统和外部环境之间的接口。
 
激光雷达系统典型的光学组件根据采用的方案不同有所差异，以下列出的示例旨在展示可能包含的组件：
 
发射端（Tx）
- 光源
- 扩散片
- 用于光束操纵的光学器件
- 分束器
- 常见的外部窗口
 
接收端（Rx）
- 常见的外部窗口
- 透镜
- 带通滤波器
- 分束器
- 传感器/探测器
 
光学元件的开发重点是在激光雷达系统和外部之间创建一个合适的接口。创建这样的“窗口”并不简单。系统开发人员起初往往会低估光学设计方面所面临的挑战，尝试使用廉价的塑料窗口，或将系统安置在前大灯总成内或挡风玻璃后方。这些方案都不适用于基于高性能激光器的光学系统。VIAVI Solutions（唯亚威）针对传感器窗口拥有专门的产品开发计划，旨在打造具有以下性能的窗口：
- 耐刮擦
- 疏水
- 疏油
- 在可见光范围不透明
- 在广角范围内对近红外入射光具有高透射率
 
预先针对腔内探测应用设计扩散片等光整形器件。腔内探测的关键性能参数是光场均匀性以及无任何零级光。有些激光雷达系统应用线扩散片，将光束转换成线光源，然后使用MEMS微镜或机械镜进行垂直扫描。
激光雷达系统是高级驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶所需的整体传感套件的关键要素。如果系统架构师和制造商能够克服当前面临的技术和成本挑战，那么我们可以期待激光雷达在短期内的大量应用。这为光学元件制造商开辟了一个全新的市场。在可接受的成本范围内对高性能光学涂层的需求，将使那些具有一定的规模和车规级质量系统的公司成为高要求汽车行业的可靠供应商。符合标准的供应商不多，需要满足严格的质量要求，横跨多个市场、历经数十年的应用验证和获得市场认可的专业技术。
 
除了大众汽车市场，激光雷达还可以成为其它运输车辆的关键部件，如卡车、公共汽车、穿梭巴士以及工程车辆等。最初的应用可能有利于其中有限的一些用例，不会在纷乱的环境中面对所有复杂的驾驶状况。