4. 光机系统基础

LiDAR 扫描机构的性能上限，往往在光机系统设计阶段就已经被决定。扫描电机、转镜或 MEMS 振镜只是“让光动起来”的执行者，而真正决定测距能力、角分辨率、回波信噪比和长期稳定性的，是光学元件、激光光源、探测器以及它们之间的光路布局与系统集成方式。本节从工程视角梳理这五个基础概念，并说明它们如何共同约束一台 LiDAR 的整机指标。

一、核心原理：光机系统是一条“发射—传输—接收”的信号链

任何 LiDAR 光机系统都可以抽象为一条信号链：激光光源产生脉冲或调制光，经发射光学元件整形后由扫描机构偏转出射；目标反射回来的微弱光由接收光学元件收集，汇聚到探测器上转换为电信号，再由后端电路完成时间测量或频率解调。这条链路上每一环都会引入损耗、噪声或畸变，因此光机设计的本质是在有限的体积、功耗和成本下，对整条链路的能量与信息进行分配和平衡。

理解这条链，需要抓住三个关键量：发射端的光束质量（发散角、光斑形状、偏振）、接收端的收集效率（口径、视场、遮挡比）、以及收发之间的光轴一致性（同轴或旁轴、平行度、指向稳定性）。三者共同决定了系统的测距方程余量和角度标定精度。

二、四类关键元件的选型要点

激光光源是链路起点。905nm 边发射激光器成本低、硅探测器响应好，但人眼安全功率受限；1550nm 光纤激光器可承受更高脉冲能量，适合长距，但需 InGaAs 探测器，成本更高。选型时要同时看峰值功率、脉宽、占空比、波长温漂和光束椭圆度。

发射光学负责把椭圆发散的光束准直、整形为圆形或线形光斑。常见元件包括非球面准直镜、柱面镜、衍射光学元件（DOE）和扩束镜。设计重点是控制发散角 θt 与光斑均匀性，因为 θt 直接决定角分辨率与远场能量密度。

接收光学通常是大口径非球面透镜或抛物面反射镜，配合窄带滤光片抑制背景光。关键参数是口径 D、焦距 f、视场 FOV 和遮挡比。口径越大收集能量越多，但体积和像差控制难度上升；视场要与扫描角范围匹配，否则边缘回波会被截断。

探测器把光转换为电信号。APD 需要高压偏置和温度补偿，增益高但噪声也放大；SPAD 可单光子计数，适合低回波和长距，但死时间限制高计数率；SiPM 兼顾灵敏度和动态范围，是近年车载 LiDAR 的热门选择。选型时要关注响应度、暗计数率、时间抖动和饱和特性。

三、光路布局：同轴、旁轴与收发分置

光路布局决定了收发通道如何共享空间。常见方案有三类：

• 同轴布局：发射与接收共用主镜和扫描镜，光轴天然重合，近场盲区小，标定简单；缺点是发射光会直接散射进入接收端，需要隔离措施。
• 旁轴布局：发射与接收平行但分开一定基线，隔离好、串扰低；缺点是近距离存在视差盲区，需要根据基线长度和 FOV 计算最小可测距离。
• 收发分置：发射和接收使用独立扫描机构，灵活但同步与标定复杂度最高，多用于特殊构型。

四、系统集成：从零件到整机的约束传递

系统集成不是简单装配，而是把光学、机械、电子和热学约束逐级传递并验证。典型流程如下：

1. 根据整机指标（测距、角分辨率、帧率、FOV）分解出链路余量预算表。
2. 确定光源、探测器、光学口径和扫描方式的初步方案。
3. 完成光路仿真，检查光斑、视场、遮挡和杂散光。
4. 进行结构热仿真，评估温漂对光轴和焦距的影响。
5. 制作样机并逐项标定：光轴平行度、测距零点、角度映射、温度补偿系数。
6. 环境试验与长期稳定性验证，回归修正设计参数。

下面是一份简化的链路余量预算清单，可用于方案评审时快速核对：

五、常见误区与复盘

复盘时建议按“链路余量—光轴稳定性—杂散光—标定一致性”四条主线逐项检查。任何一条不达标，都会在整机测试中表现为测距变短、点云分层或边缘缺失。光机系统基础打牢，后续扫描机构与控制算法的优化才有可靠的物理边界。