激光雷達(dá)濾光片是接收光路中用于選擇目標(biāo)激光波段、抑制太陽(yáng)光及其他非目標(biāo)光的光學(xué)元件。實(shí)際應(yīng)用中，并不是“帶寬越窄越好”，而是要讓濾光片的通帶與激光器、探測(cè)器、入射角、視場(chǎng)和工作溫度共同匹配，否則背景光雖然減少了，有效回波也可能被一起削弱。

一、激光雷達(dá)是怎樣完成測(cè)距的？

激光雷達(dá)的基本工作過程并不復(fù)雜：發(fā)射端向目標(biāo)發(fā)射激光，光線遇到車輛、建筑、地面、植被或其他物體后產(chǎn)生反射，接收端收集返回的光信號(hào)，再通過時(shí)間、相位、頻率等信息計(jì)算距離或獲取目標(biāo)特征。

以常見的飛行時(shí)間法（ToF）為例，可以把整個(gè)過程簡(jiǎn)化為：

激光發(fā)射 → 目標(biāo)反射 → 接收光學(xué)系統(tǒng)收光 → 光學(xué)濾波 → 光電探測(cè)器接收 → 信號(hào)處理。

真正困難的地方在于，探測(cè)器接收到的并不只有激光回波。

戶外環(huán)境中還有太陽(yáng)輻射、天空散射光、道路及建筑反射光；設(shè)備內(nèi)部還可能存在雜散光，周圍也可能出現(xiàn)其他主動(dòng)光源。目標(biāo)回波經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳播和目標(biāo)反射后往往已經(jīng)很弱，如果大量無關(guān)光同時(shí)進(jìn)入探測(cè)器，就會(huì)增加背景信號(hào)和光子噪聲，并占用探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍。

因此，接收光路通常需要利用窄帶濾光片或相應(yīng)帶通濾光結(jié)構(gòu)，把接收光譜窗口限制在目標(biāo)激光附近。

濾光片可以理解為給探測(cè)器開了一扇“光譜窗口”：目標(biāo)波段盡可能通過，窗口之外的光盡可能擋住。

但這扇窗口不能只考慮“窄”，還必須開在正確的位置，并留出合理余量。

二、激光雷達(dá)濾光片為什么首先要確定工作波長(zhǎng)？

濾光片選型的第一項(xiàng)不是OD值，也不是半峰寬，而是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)際使用的激光波長(zhǎng)及其變化范圍。

不同激光雷達(dá)系統(tǒng)可能采用不同波長(zhǎng)。汽車、機(jī)器人和距離感知類系統(tǒng)中常見905nm附近的近紅外激光，也存在1550nm系統(tǒng)；測(cè)繪、環(huán)境遙感和科研激光雷達(dá)還可能使用1064nm、532nm或355nm等其他波長(zhǎng)。

因此，不能看到“激光雷達(dá)”四個(gè)字就默認(rèn)使用某一種固定濾光片。

以905nm系統(tǒng)為例，接收濾光片的通帶通常應(yīng)圍繞實(shí)際激光發(fā)射光譜設(shè)計(jì)；1550nm系統(tǒng)同樣需要圍繞實(shí)際1550nm光源、接收器件和光路進(jìn)行匹配。對(duì)于近紅外系統(tǒng)，可結(jié)合紅外濾光片的基材透過范圍和膜層設(shè)計(jì)進(jìn)一步確定完整光譜要求。

需要注意的是，激光器標(biāo)稱“905nm”并不意味著任何工況下都只輸出一個(gè)絕對(duì)固定的905.000nm波長(zhǎng)。

半導(dǎo)體激光器的發(fā)射中心波長(zhǎng)和光譜寬度可能隨器件類型、驅(qū)動(dòng)條件、工作溫度等因素變化。因此工程設(shè)計(jì)真正需要確認(rèn)的是：

1. 標(biāo)稱中心波長(zhǎng)；

2. 實(shí)際發(fā)射光譜寬度；

3. 不同溫度和驅(qū)動(dòng)條件下的波長(zhǎng)變化；

4. 系統(tǒng)允許的工作溫度范圍；

5. 濾光片自身中心波長(zhǎng)及制造公差。

只有把這些條件放在一起，才能確定濾光片應(yīng)該“讓哪一段光通過”。

三、激光雷達(dá)濾光片的帶寬是不是越窄越好？

不是。

從背景光抑制角度看，通帶越窄，進(jìn)入探測(cè)器的非目標(biāo)連續(xù)光通常越少，所以很容易得到“半峰寬越小越好”的直覺。

但工程上還要解決另一個(gè)問題：目標(biāo)激光必須始終落在有效通帶內(nèi)。

濾光片常用FWHM（Full Width at Half Maximum，半峰全寬）表示通帶寬度。比如一片以905nm附近為中心的窄帶濾光片，可以設(shè)計(jì)成不同F(xiàn)WHM，但具體選多少納米不能脫離系統(tǒng)條件單獨(dú)判斷。

帶寬至少要考慮以下幾個(gè)方向的誤差和漂移：

所以，真正的設(shè)計(jì)邏輯不是：

“盡量選最窄的帶寬。”

而應(yīng)該是：

“在覆蓋全部有效回波條件的前提下，盡量減少不需要的背景光帶寬。”

這也是激光雷達(dá)使用帶通濾光片時(shí)最重要的平衡之一。

四、為什么入射角會(huì)影響激光雷達(dá)濾光片？

這是很多樣機(jī)階段容易忽略的問題。

窄帶干涉濾光片通常利用多層薄膜之間的干涉實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇。當(dāng)光線以不同角度進(jìn)入膜層時(shí)，有效光程發(fā)生變化，濾光片的通帶位置也會(huì)變化。

對(duì)于常見干涉型帶通濾光片，入射角增大時(shí)，通帶通常會(huì)向短波方向移動(dòng)，也就是常說的“藍(lán)移”。

這意味著一片在接近0°入射條件下能夠很好覆蓋905nm激光的濾光片，安裝到大視場(chǎng)接收系統(tǒng)后，邊緣視場(chǎng)的斜入射光可能看到另一條光譜曲線。

如果通帶已經(jīng)設(shè)計(jì)得非常窄，就可能出現(xiàn)一種看似矛盾的情況：

實(shí)驗(yàn)室正入射測(cè)試時(shí)光譜很好，裝到實(shí)際雷達(dá)后邊緣視場(chǎng)的有效回波反而下降。

因此，大FOV系統(tǒng)不能只提交“CWL=905nm、FWHM越窄越好”這樣的規(guī)格。

還應(yīng)同時(shí)確認(rèn)濾光片實(shí)際安裝位置、最大入射角、光束錐角、接收鏡頭結(jié)構(gòu)以及不同視場(chǎng)位置的光線分布。

如果系統(tǒng)涉及明顯斜入射，還可能需要進(jìn)一步關(guān)注S偏振和P偏振條件下的光譜差異。

五、背景光抑制不能只看一個(gè)OD值

對(duì)于戶外激光雷達(dá)，濾光片的另一項(xiàng)重要任務(wù)是抑制非目標(biāo)光。

工程規(guī)格中經(jīng)常用OD（Optical Density，光學(xué)密度）描述截止能力，其關(guān)系可表示為：

OD = -log??(T)

這里的T是透過率的小數(shù)形式。

例如在指定波長(zhǎng)位置，如果透過率為0.01%，對(duì)應(yīng)OD4。

但選濾光片時(shí)不能只問一句“能不能做到OD4”。

更完整的問題應(yīng)該是：

在哪一段波長(zhǎng)范圍內(nèi)達(dá)到什么OD值？

因?yàn)榧す饫走_(dá)面對(duì)的背景光不是某一個(gè)孤立波長(zhǎng)，而可能來自很寬的太陽(yáng)光譜、其他紅外光源以及系統(tǒng)雜散光。

因此，一個(gè)更合理的光譜要求通常包含：

• 通帶中心波長(zhǎng)；

• 通帶寬度；

• 通帶透過率；

• 左側(cè)截止范圍；

• 右側(cè)截止范圍；

• 各截止區(qū)域要求的OD值；

• 允許存在的過渡區(qū)。

這也是為什么“峰值透過率高”和“背景光抑制強(qiáng)”是兩個(gè)不同概念。

一片濾光片在905nm處具有較高透過率，并不能證明它在其他波段具有足夠的截止深度；反過來，帶外OD很高，也不代表目標(biāo)波段一定擁有足夠的有效透過率。

六、激光雷達(dá)濾光片的幾個(gè)參數(shù)應(yīng)該一起看

工程選型時(shí)，可以優(yōu)先確認(rèn)下面這些參數(shù)。

對(duì)于干涉濾光片而言，這些光譜特性最終依賴膜系設(shè)計(jì)和加工控制，因此在特殊工作波段、大角度入射或較深截止要求下，還需要把實(shí)際光路條件提供給光學(xué)鍍膜加工環(huán)節(jié)，而不是只給出一個(gè)中心波長(zhǎng)。

七、背景光很強(qiáng)時(shí)，為什么不能單純繼續(xù)縮窄帶寬？

因?yàn)橄到y(tǒng)的目標(biāo)不是讓背景光降到最低，而是在實(shí)際環(huán)境下獲得足夠可用的目標(biāo)回波。

假設(shè)兩片濾光片都圍繞905nm工作：

A方案通帶更寬，能夠覆蓋光源溫漂和較大的入射角變化，但進(jìn)入探測(cè)器的背景光相對(duì)更多；

B方案通帶非常窄，理論背景光更少，但在高溫、斜入射或邊緣視場(chǎng)條件下，目標(biāo)激光可能逐漸靠近通帶邊緣。

這時(shí)不能脫離整機(jī)直接判斷A或B哪一個(gè)更好。

濾光片只是接收鏈路中的一個(gè)環(huán)節(jié)。最終背景抑制能力還與接收孔徑、鏡頭FOV、探測(cè)器光譜響應(yīng)、時(shí)間門控、電子濾波、算法以及光機(jī)遮光設(shè)計(jì)有關(guān)。

因此，正確思路是同時(shí)優(yōu)化光譜濾波與系統(tǒng)接收條件，而不是要求單片濾光片承擔(dān)全部抗干擾任務(wù)。

八、研發(fā)和裝機(jī)驗(yàn)證時(shí)應(yīng)該怎么檢查？

規(guī)格書通過只是第一步。

激光雷達(dá)濾光片更適合按照“光譜測(cè)試—角度測(cè)試—環(huán)境條件—整機(jī)驗(yàn)證”的順序進(jìn)行確認(rèn)。

1、先確認(rèn)光源

測(cè)量或獲取實(shí)際激光器在工作溫度、驅(qū)動(dòng)方式和批次條件下的發(fā)射光譜，而不是只使用型號(hào)名稱中的標(biāo)稱波長(zhǎng)。

2、確認(rèn)濾光片光譜

檢測(cè)中心波長(zhǎng)、FWHM、通帶透過率以及規(guī)定截止范圍內(nèi)的OD性能，同時(shí)記錄測(cè)試儀器、入射角和測(cè)試條件。

3、檢查不同入射角

如果實(shí)際系統(tǒng)存在明顯角度范圍，應(yīng)檢查代表性AOI下的光譜變化，特別關(guān)注中心波長(zhǎng)藍(lán)移以及通帶邊緣是否仍能覆蓋激光信號(hào)。

4、檢查溫度邊界

將激光器波長(zhǎng)變化與濾光片光譜變化共同考慮，確認(rèn)低溫、常溫和高溫工況下是否仍存在足夠的通帶余量。

5、最后進(jìn)行整機(jī)光路驗(yàn)證

在真實(shí)光源、探測(cè)器、接收鏡頭、FOV和代表性背景光環(huán)境下檢查系統(tǒng)響應(yīng)。

這一階段要判斷的是完整接收鏈路，而不是僅憑濾光片的一張光譜曲線推斷整機(jī)性能。

九、激光雷達(dá)濾光片詢價(jià)或打樣時(shí)最好提供哪些參數(shù)？

如果項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)入工程評(píng)估階段，與其只寫“需要一片905nm激光雷達(dá)濾光片”，不如直接提供以下信息：

• 激光器標(biāo)稱波長(zhǎng)及實(shí)際波長(zhǎng)范圍；

• 激光發(fā)射光譜或數(shù)據(jù)資料；

• 期望中心波長(zhǎng)；

• 期望FWHM或允許通帶范圍；

• 通帶透過率要求；

• 截止波長(zhǎng)范圍及對(duì)應(yīng)OD要求；

• 標(biāo)稱入射角及最大入射角；

• 系統(tǒng)FOV；

• 是否存在偏振要求；

• 濾光片尺寸、厚度及有效口徑；

• 基材或環(huán)境要求；

• 表面質(zhì)量、平面度及平行度要求；

• 實(shí)際安裝位置和光路示意。

如果暫時(shí)無法確定FWHM，與其先指定一個(gè)很窄的數(shù)字，更合理的方法是先提供激光光譜、溫度范圍和光路角度，由這些邊界條件反推需要保留多大的光譜窗口。

十、總結(jié)

激光雷達(dá)濾光片的關(guān)鍵并不是單獨(dú)追求“窄帶、高透或高OD”，而是讓工作波長(zhǎng)、FWHM、帶外截止、入射角和系統(tǒng)視場(chǎng)形成合理匹配：通帶既要覆蓋真實(shí)激光回波，又要盡可能減少無關(guān)背景光進(jìn)入探測(cè)器。實(shí)際選型或加工通常還需要結(jié)合工作波段、入射角、尺寸、基材、光譜要求、表面質(zhì)量、裝配方式和檢測(cè)條件確認(rèn)。如項(xiàng)目涉及濾光片、光學(xué)鍍膜、反射鏡、透鏡或其他精密光學(xué)元件，可向Giaitech提供圖紙、參數(shù)或樣品，用于進(jìn)一步評(píng)估方案。

常見問題

1、激光雷達(dá)為什么經(jīng)常使用窄帶濾光片？

因?yàn)榧す饫走_(dá)已知自身發(fā)射激光的大致波長(zhǎng)，可以在接收端只保留目標(biāo)波段附近的光，同時(shí)抑制更寬波段的太陽(yáng)光和其他非目標(biāo)光。這樣有助于降低進(jìn)入探測(cè)器的背景信號(hào)，但實(shí)際效果還取決于FOV、探測(cè)器響應(yīng)、電子處理和整機(jī)光路，不能只由濾光片決定。

2、905nm激光雷達(dá)一定要使用905nm中心波長(zhǎng)的濾光片嗎？

不能只看標(biāo)稱數(shù)字。需要確認(rèn)激光器真實(shí)發(fā)射光譜、工作溫度下的波長(zhǎng)變化，以及濾光片在實(shí)際入射角下的通帶位置。最終規(guī)格可以圍繞905nm設(shè)計(jì)，但中心波長(zhǎng)和通帶邊界應(yīng)根據(jù)完整光譜包絡(luò)確定，而不是機(jī)械地鎖定在一個(gè)數(shù)值。

3、激光雷達(dá)濾光片5nm帶寬一定比10nm好嗎？

不一定。更窄的通帶通常可以減少更多連續(xù)背景光，但也會(huì)降低對(duì)激光波長(zhǎng)漂移、濾光片制造公差以及AOI藍(lán)移的容忍度。大視場(chǎng)或?qū)挏叵到y(tǒng)尤其需要保留足夠的通帶余量，因此FWHM應(yīng)根據(jù)整機(jī)條件確定。

4、濾光片OD值越高，激光雷達(dá)抗陽(yáng)光能力就越好嗎？

OD值反映指定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的截止能力，但不能單獨(dú)代表整機(jī)抗陽(yáng)光性能。需要同時(shí)說明截止波段范圍，并結(jié)合通帶寬度、探測(cè)器光譜響應(yīng)、接收FOV、時(shí)間門控及電子處理判斷。只寫“OD4”而不寫對(duì)應(yīng)截止范圍，工程意義并不完整。

5、為什么濾光片實(shí)驗(yàn)室測(cè)試正常，裝入激光雷達(dá)后效果會(huì)變化？

常見原因之一是測(cè)試和實(shí)際光路的入射角不同。干涉型濾光片在斜入射時(shí)通常會(huì)發(fā)生通帶藍(lán)移，大FOV系統(tǒng)的邊緣光線尤其明顯。此外還應(yīng)檢查激光器溫漂、安裝傾角、偏振狀態(tài)、污染、裝配應(yīng)力以及測(cè)試設(shè)備條件。