激光測距傳感器是現(xiàn)代精密測量、自動(dòng)化和智能感知的核心部件。其性能不僅取決于電子信號(hào)處理能力，更從根本上由其光學(xué)系統(tǒng)決定。下面我們將解析激光測距的不同，深入剖析不同類別傳感器的光學(xué)設(shè)計(jì)邏輯與鏡片配置，為大家做一個(gè)簡單的科普應(yīng)用。

（圖源網(wǎng)絡(luò)，侵刪）

一、核心測距原理與光學(xué)系統(tǒng)作用

激光測距基于三種物理原理，每種對(duì)光學(xué)系統(tǒng)有不同要求：

（激光測距三種物理原理）

1.相位測距法：

原理：對(duì)連續(xù)激光束進(jìn)行正弦波強(qiáng)度調(diào)制，通過測量發(fā)射光與接收光之間的相位差來計(jì)算時(shí)間差，從而得到距離。距離 d = (c * Δφ) / (4π * f_mod)，其中 c為光速，f_mod為調(diào)制頻率，Δφ為相位差。

特點(diǎn)：測量精度高（可達(dá)毫米甚至亞毫米級(jí)），但測量速度相對(duì)較慢，且存在最大無模糊距離限制。適合于中短距離高精度靜態(tài)或低速測量。

（相位激光測距）

2.脈沖飛行時(shí)間法：

原理：發(fā)射極短時(shí)間（納秒級(jí)）的高功率激光脈沖，直接測量發(fā)射脈沖與接收脈沖之間的時(shí)間間隔。距離 d = (c * Δt) / 2。

特點(diǎn)：測量速度極快，單次測量即可完成，量程遠(yuǎn)（可達(dá)數(shù)公里）。其絕對(duì)精度受限于時(shí)間測量單元的精度（通常厘米級(jí)）。適合于遠(yuǎn)距離、高速動(dòng)態(tài)測量。

（脈沖飛行時(shí)間法）

3. 三角反射法：

原理：發(fā)射激光在目標(biāo)表面形成光斑，通過一個(gè)偏離發(fā)射軸線的接收透鏡（相機(jī)），在感光元件上成像。根據(jù)光斑在感光元件上的位置偏移，利用相似三角形幾何關(guān)系計(jì)算距離。

特點(diǎn)：在近距離（幾厘米到幾米）內(nèi)可實(shí)現(xiàn)微米級(jí)超高分辨率，但量程小，非線性，且精度隨距離增大迅速下降。適合于固定距離范圍內(nèi)的精密檢測，如表面輪廓測量。

（三角反射法）

二、 激光測距傳感器的分類與應(yīng)用

從設(shè)計(jì)哲學(xué)和應(yīng)用場景出發(fā)，激光測距傳感器可清晰地劃分為消費(fèi)級(jí)/通用級(jí)與工業(yè)級(jí)/專業(yè)級(jí)兩大陣營。這兩大陣營在光源選擇、光學(xué)設(shè)計(jì)和性能指標(biāo)上存在系統(tǒng)性差異。

1. 消費(fèi)級(jí)/通用級(jí)傳感器

設(shè)計(jì)核心：成本與易用性優(yōu)先。在滿足基本測距功能的前提下，致力于最大化降低成本和簡化用戶操作。

典型原理：主要采用相位法和三角法。脈沖法因核心時(shí)間測量芯片成本較高，在此領(lǐng)域較少見。

常見應(yīng)用：

室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人（避障、建圖）

智能家居（液位檢測、觸發(fā)感應(yīng)）

消費(fèi)電子、玩具、教育套件

DIY創(chuàng)客項(xiàng)目

光學(xué)系統(tǒng)特點(diǎn)：

光源：廣泛使用 635nm-660nm紅色可見激光二極管。其中，635nm因其光斑極其明亮醒目而成為主流選擇。這些光源成本極低（源于激光指示器、光驅(qū)等成熟產(chǎn)業(yè)鏈），且光斑可見的特性使得安裝、調(diào)試和目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)無需任何輔助工具，極大地提升了用戶體驗(yàn)。

功率：為保障人眼安全，通常嚴(yán)格控制在Class 2安全等級(jí)（<1mW），這也直接限制了其有效測量距離。

環(huán)境適應(yīng)性：主要針對(duì)室內(nèi)或光照相對(duì)穩(wěn)定的溫和環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)。其光學(xué)系統(tǒng)（特別是濾光片）在戶外強(qiáng)光下的抗干擾能力是其主要性能瓶頸。

2. 工業(yè)級(jí)/專業(yè)級(jí)傳感器

設(shè)計(jì)核心：性能與可靠性優(yōu)先。追求在復(fù)雜、惡劣的工業(yè)或戶外環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性和長壽命運(yùn)行。

典型原理：脈沖法（用于遠(yuǎn)距離、高速測量）和相位法（用于中短距離高精度測量）均有廣泛應(yīng)用。三角法則專注于特定的近距離超高精度場景。

常見應(yīng)用：

工業(yè)自動(dòng)化（物料測量、定位、裝卸）

測繪與工程（全站儀、地形掃描）

無人機(jī)與自動(dòng)駕駛（定高、避障）

安防與交通（車輛測速、入侵檢測）

林業(yè)與農(nóng)業(yè)

光學(xué)系統(tǒng)特點(diǎn)：

光源：

相位法：多采用850nm或905nm近紅外激光。硅基探測器在此波段響應(yīng)度最高，且太陽背景光干擾相對(duì)較小。

脈沖法：常用905nm或1550nm激光。其中1550nm波長因人眼安全閾值極高，可允許發(fā)射更高脈沖功率，從而實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離探測，是高端測繪、激光雷達(dá)（LiDAR）的主流選擇。

功率：根據(jù)量程和安全標(biāo)準(zhǔn)，可從數(shù)毫瓦到數(shù)瓦不等。高功率型號(hào)通常配備安全互鎖機(jī)制和明確警示標(biāo)識(shí)。

環(huán)境適應(yīng)性：光學(xué)與機(jī)械設(shè)計(jì)需應(yīng)對(duì)戶外強(qiáng)光、雨霧、灰塵、高低溫沖擊等惡劣條件。這通常意味著需要更精密的光學(xué)鏡片、更高效的窄帶濾光片以及堅(jiān)固的密封防護(hù)結(jié)構(gòu)。

三、光源選擇：波長背后的工程權(quán)衡

光源波長是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，體現(xiàn)了性能、成本、安全之間的平衡。

1. 消費(fèi)級(jí)主流選擇：可見紅光

設(shè)計(jì)哲學(xué)：接受抗干擾能力的物理缺陷，換取光斑可見性這一對(duì)用戶體驗(yàn)至關(guān)重要的特性，同時(shí)將成本壓至極致。

2. 工業(yè)級(jí)核心選擇：近紅外光

設(shè)計(jì)哲學(xué)：犧牲直觀可見性，追求最佳信噪比、環(huán)境適應(yīng)性及安全合規(guī)性，滿足工業(yè)可靠性與專業(yè)測量需求。

（NBP905窄帶濾光片）

四、光學(xué)鏡片配置與詳細(xì)參數(shù)分析

1. 發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)：光束的塑造

核心鏡片：非球面準(zhǔn)直透鏡

核心功能：將激光二極管發(fā)出的發(fā)散光束整形成低發(fā)散角的準(zhǔn)直光束

（非球面透鏡）

2. 接收光學(xué)系統(tǒng)：信號(hào)的捕獲與凈化

這是光學(xué)設(shè)計(jì)的核心，直接決定信噪比。

A. 接收物鏡

作用：最大化收集微弱回波信號(hào)

實(shí)際設(shè)計(jì)：

消費(fèi)級(jí)：常采用單片塑料非球面透鏡，口徑Φ3-8mm

工業(yè)級(jí)：多采用玻璃透鏡組或大口徑非球面（Φ10-50mm），甚至菲涅爾透鏡以減輕重量

（NBP635窄帶干涉濾光片）

B. 窄帶干涉濾光片——性能的關(guān)鍵

位置：通常置于接收光路中，探測器前方

功能：僅允許激光波長±Δλ范圍內(nèi)的光通過，強(qiáng)烈抑制背景光

C. 探測器前場鏡

作用：將接收物鏡匯聚的光斑，匹配到探測器（如APD、SiPM、PIN）的靈敏區(qū)域

設(shè)計(jì)要點(diǎn)：控制像差，確保光斑能量集中

3. 系統(tǒng)級(jí)光學(xué)設(shè)計(jì)考量

視場角匹配：接收視場角略大于發(fā)射光束發(fā)散角，確保回波不丟失

消雜散光設(shè)計(jì)：

消費(fèi)級(jí)：簡單光闌，黑色啞光內(nèi)壁

工業(yè)級(jí)：多級(jí)光闌、螺紋消光結(jié)構(gòu)、專用吸光涂層（如Acktar Metal Velvet）

同軸與離軸設(shè)計(jì)：

消費(fèi)級(jí)多采用離軸（發(fā)射與接收光路平行但分離），結(jié)構(gòu)簡單

工業(yè)級(jí)高精度傳感器常采用同軸（通過分光鏡共用主鏡），避免視差，但需解決發(fā)射光直接反射串?dāng)_問題

4. 保護(hù)與輔助光學(xué)元件

保護(hù)窗口片：

材料：消費(fèi)級(jí)用平板玻璃；工業(yè)級(jí)用藍(lán)寶石玻璃或鍍硬化膜玻璃

鍍膜：寬帶增透膜，兼顧防護(hù)與透光

附加功能：疏水疏油涂層（工業(yè)級(jí)）

（防水窗口片）

分光鏡/光學(xué)隔離器（用于同軸系統(tǒng)）：

要求極高的消光比（>60dB）

（分光鏡）

擴(kuò)束鏡（用于遠(yuǎn)距離脈沖系統(tǒng)）：

伽利略式或開普勒式，將光束發(fā)散角進(jìn)一步壓縮

（擴(kuò)束鏡）

五、光學(xué)系統(tǒng)與產(chǎn)品定位的對(duì)應(yīng)關(guān)系

工程啟示

1.不存在“最好”的波長或鏡片：只有最適合特定應(yīng)用場景的權(quán)衡方案。635nm的成功在于精準(zhǔn)把握了消費(fèi)級(jí)用戶“需要看見光斑”的核心訴求。

2.濾光片是性價(jià)比最高的性能提升部件：在消費(fèi)級(jí)設(shè)計(jì)中，適當(dāng)投資于更好的濾光片，往往能顯著改善戶外使用體驗(yàn)。

3.工業(yè)級(jí)的光學(xué)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)工程：從材料熱膨脹系數(shù)匹配、鍍膜光譜穩(wěn)定性，到機(jī)械結(jié)構(gòu)的消應(yīng)力設(shè)計(jì)，每一個(gè)細(xì)節(jié)都影響最終性能。

激光測距傳感器的光學(xué)鏡片設(shè)計(jì)，本質(zhì)上是在物理定律、制造成本、用戶需求之間的精確平衡。理解這套平衡邏輯，便能洞察市場上各類產(chǎn)品的真實(shí)能力邊界，做出更精準(zhǔn)的選型與應(yīng)用決策。

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