3. 发射光学系统：激光器选型与光束调控
发射光学系统，说白了就是激光雷达的“嘴巴”。它负责把电信号变成光信号，再把这个光信号整形成我们想要的形状，然后打出去。这个环节要是没做好，后面接收端再怎么折腾也白搭。我个人习惯，在设计发射链路时，会先问自己三个问题：用什么光源？怎么让它变平行？要不要匀化？
3.1 激光器选型：三种主流方案
目前车规级激光雷达里，光源基本就是三选一：EEL、VCSEL、光纤激光器。它们各有各的脾气，选型时得看你的应用场景是啥。
| 参数维度 | EEL（边发射激光器） | VCSEL（垂直腔面发射激光器） | 光纤激光器 |
|---|---|---|---|
| 峰值功率 | 高（10W~100W+） | 中低（1W~10W 单孔） | 极高（kW 级） |
| 光束质量 | 较差（快慢轴不对称） | 好（圆形对称） | 极好（单模 TEM00） |
| 温度敏感性 | 高（波长漂移 ~0.3nm/°C） | 低（~0.07nm/°C） | 中（需温控） |
| 成本 | 中 | 低（晶圆级工艺） | 高 |
| 典型应用 | 机械式、远距探测 | 固态、近距补盲 | 1550nm 远距、测绘 |
我的选型经验： 做 905nm 远距探测时，我倾向于用 EEL，因为它峰值功率高，能打到 200 米以上。但如果你做的是近场补盲或者固态扫描，VCSEL 的温漂小、成本低，优势就出来了。至于光纤激光器，1550nm 对人眼安全，但整套系统贵不少，我一般只在高端测绘或特殊项目里用。
3.2 准直光学设计
激光器出来的光，要么是发散的（EEL），要么是有点小角度的（VCSEL）。准直的目的，就是让这些光变成近似平行的光束。你想想看，如果光斑发散角太大，打到远处目标上就变成一大片，能量密度不够，回波信号就弱。
准直设计里，最核心的参数是 准直后的发散角。对于 EEL，它的快轴发散角通常有 25°~40°，慢轴 8°~15°，所以必须用非球面透镜或者柱面镜组来分别校正。
避坑指南： 我曾经在一个项目里，直接用标准球面透镜去准直 EEL，结果快轴方向发散角压到 0.5mrad，慢轴方向却还有 2mrad，光斑变成了一个长条。后来换成非球面透镜，才把两个方向都压到 1mrad 以内。所以，EEL 的准直一定要考虑快慢轴差异。
准直透镜的焦距选择也有讲究。焦距越长，准直效果越好（发散角小），但光斑尺寸会变大。你需要平衡一下：
- 短焦距（~5mm）： 光斑小，适合 MEMS 振镜扫描，但发散角大。
- 长焦距（~20mm）： 发散角小，适合远距探测，但光斑大，可能遮挡接收视场。
3.3 光束整形与匀化
有些场景下，我们不想要一个圆圆的、能量集中的光斑。比如 Flash 激光雷达，需要把一束光均匀地照亮整个视场。这时候就需要光束整形和匀化。
常用的匀化方案有几种：
- 微透镜阵列（MLA）： 把一束光分成很多小份，再叠加在一起。匀化效果很好，但效率会损失一点。
- 衍射光学元件（DOE）： 通过相位调制，把光斑变成任意形状。比如把圆形变成矩形，或者分成多束。效率高，但对波长敏感。
- 光波导/混光棒： 让光在棒子里来回反射，出口处就均匀了。简单粗暴，但体积大。
注意： 匀化后的光斑边缘通常会有“滚降”，也就是亮度从中心到边缘逐渐变暗。如果你需要非常均匀的照明（比如 ±5% 以内），可能需要用双 MLA 或者更复杂的结构。我做过一个项目，单 MLA 匀化后均匀度只有 ±15%，后来加了第二片 MLA 才压到 ±3%。
下面这张图展示了从激光器到出射光束的典型链路：
3.4 调试中的关键指标
在产线上调试发射光学系统时，我一般会盯着这几个指标看：
- 准直后发散角： 用光束质量分析仪测，要求通常 < 1mrad（全角）。
- 光斑均匀度： 对于 Flash 方案，要求均匀度 > 90%（即最暗处不低于最亮处的 90%）。
- 光轴一致性： 发射光轴与接收光轴的偏差，一般要求 < 0.1°。
- 效率： 从激光器到出射窗口的总光功率效率，通常 > 70%。
我的调试习惯： 先调准直，再调整形。准直没调好之前，不要碰整形元件，否则你分不清是准直问题还是整形问题。另外，记得用红外观察卡或者近红外相机来辅助对准，别用眼睛直接看激光，尤其是 905nm 和 1550nm 的，伤眼睛。
嗯，发射光学系统这部分，核心就是“选对光源、压小发散角、整好光斑”。每一步都有坑，但只要你理解了物理原理，再结合产线上的实际数据，就能调出稳定的系统。