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一、前言

光學(xué)是一門古老的學(xué)科，它的發(fā)展幾乎是和人類的歷史同時(shí)進(jìn)行。從墨子《墨經(jīng)》中記錄到的最早的光學(xué)知識(shí)到牛頓用三棱鏡揭開陽光的奧秘，從楊氏雙縫干涉到愛因斯坦的光量子假說，光學(xué)的發(fā)展出現(xiàn)了一波三折的變化。時(shí)至今日，光學(xué)已經(jīng)成為了一個(gè)龐大的學(xué)科，其研究成果推動(dòng)了各行各業(yè)的發(fā)展。從日常佩戴的眼鏡，家家戶戶使用的電燈，到芯片制造中使用的光刻機(jī)，太空中的哈勃望遠(yuǎn)鏡，光學(xué)工程師在各行各業(yè)中都在推動(dòng)這個(gè)社會(huì)變得更好。

光學(xué)同樣是一門分支眾多，包羅萬象的學(xué)科?！肮鈱W(xué)”這個(gè)名詞在某種深度和廣度上是和“電學(xué)”這個(gè)名詞不相上下的，其衍生知識(shí)更會(huì)覆蓋數(shù)學(xué)物理的方方面面。一位從事鏡頭設(shè)計(jì)的光學(xué)工程師的工作內(nèi)容和背景知識(shí)或許會(huì)和另一位從事量子光通信的光學(xué)工程師完全不同。若將光學(xué)這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行粗略的分解，其大致可以分為三大類：幾何光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)、量子光學(xué)。這三類分別從不同的角度研究了光的物理性質(zhì)，其排序也代表了人類對(duì)于光本質(zhì)的理解過程。

激光雷達(dá)(LiDAR)是一種用于精確獲得三維位置信息的傳感器，可以確定物體的位置、大小、外部形貌甚至材質(zhì)。與無線電雷達(dá)（Radar）相似，也是通過計(jì)算電磁波信號(hào)往返于探測(cè)物體與目標(biāo)之間的時(shí)間來測(cè)量目標(biāo)距離。一個(gè)完整的激光雷達(dá)由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信息處理三部分組成。在發(fā)射系統(tǒng)與接收系統(tǒng)中，里面有著大量的光學(xué)元件，需要對(duì)各領(lǐng)域的知識(shí)融會(huì)貫通，形成體系，從而也對(duì)于一個(gè)激光雷達(dá)光學(xué)工程師提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。

二、激光雷達(dá)光學(xué)工程師的自我修養(yǎng)之一：工具儲(chǔ)備

一個(gè)完整的激光雷達(dá)由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信息處理三部分組成。這三部分中的發(fā)射和接收系統(tǒng)均會(huì)運(yùn)用到光學(xué)元件和光學(xué)相關(guān)知識(shí)。激光雷達(dá)領(lǐng)域所涉及到的光學(xué)知識(shí)有如下幾個(gè)領(lǐng)域：

幾何光學(xué)：最基礎(chǔ)的光學(xué)，用于激光雷達(dá)的光束整形、準(zhǔn)直，發(fā)射端和接收端的光路設(shè)計(jì)都需要這領(lǐng)域的知識(shí)。

光學(xué)材料：主要應(yīng)用于鏡頭、Diffuser、DOE等元件的材料選擇，涉及不同元件的性能、價(jià)格、環(huán)境適應(yīng)性等。

波動(dòng)光學(xué)：相干激光雷達(dá)（FMCW）的理論基礎(chǔ)，同時(shí)在設(shè)計(jì)鏡頭（特別是超透鏡）、衍射光學(xué)元件（DOE）的重要理論支撐。

傅里葉光學(xué)：鏡頭，DOE設(shè)計(jì)中重要的理論基礎(chǔ)，在相干雷達(dá)建立光學(xué)傳遞函數(shù)中需要的工具。

電動(dòng)力學(xué)：電磁學(xué)的理論基礎(chǔ)，在處理研究小尺寸的光學(xué)、光與金屬的相互關(guān)系等發(fā)揮作用。

激光原理：涉及激光雷達(dá)光源選擇，屬于非常重要的領(lǐng)域。

半導(dǎo)體物理：像素微光學(xué)涉及的理論基礎(chǔ)。

光通信原理：FMCW激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的重要參考理論。

光電檢測(cè)與傳感：接收端選型的參考。

信號(hào)與系統(tǒng)：各種原理下激光雷達(dá)信號(hào)處理的基礎(chǔ)。

上面的知識(shí)可以被匯總為下圖：

由上圖可以看出，整個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)的每一個(gè)組成部分都與多種光學(xué)分支相關(guān)，這就對(duì)我們的知識(shí)儲(chǔ)備提出了非常高的要求。大部分的光學(xué)工程師可能在學(xué)校里學(xué)過相關(guān)的課程或者僅學(xué)過部分相關(guān)的課程，這就需要光學(xué)工程師在工作的時(shí)候，對(duì)于自己只是鏈條上欠缺的知識(shí)進(jìn)行查漏補(bǔ)缺。

此外，對(duì)于在工作中會(huì)用到的各種工具軟件，也需要及時(shí)學(xué)習(xí)，豐富自己的技能庫。俗話說的好“工欲善其事，必先利其器”，豐富自己的技能也是非常有必要的。那么哪些軟件是我們工作中的好伙伴呢？

首先是各種編程語言或者科學(xué)計(jì)算軟件，如Matlab、Mathematica，對(duì)于日常的計(jì)算來說，這些都是必不可少的。熟練運(yùn)用這些軟件可以使工程師在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行快速的數(shù)學(xué)建?；蛘哂?jì)算，迅速地驗(yàn)證自己的想法。其次就是各種仿真軟件，幾何光學(xué)中常用的有Zmax，Tracepro，CodeV等；波動(dòng)光學(xué)的仿真主要為電磁場(chǎng)仿真軟件，如FDTD solutions、COMSOL Multiphysics、CST等，這些軟件可以在我們對(duì)于各種需要研究波動(dòng)光學(xué)的場(chǎng)景中有很大助力。此外，各種常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備如示波器、萬用表等也是工作的好幫手，需要盡量熟悉。

三、激光雷達(dá)光學(xué)工程師的自我修養(yǎng)之二：需要具備的能力

“能力”這個(gè)詞在日常生活中顯得非常玄學(xué)，無法定量。然而在工作中，對(duì)于相處時(shí)間比較久的同事，總有人會(huì)被說“能力好”或者“能力差”，那么我們就需要對(duì)于激光雷達(dá)光學(xué)工程師的“能力”究竟是什么進(jìn)行一番剖析。

1.定位問題的能力：當(dāng)接手一項(xiàng)工作時(shí)，兩個(gè)最核心的問題是：做什么？怎么做？一項(xiàng)任務(wù)交代下來，一個(gè)工作分配下來，我們究竟需要做什么是一個(gè)很重要的問題。如果錯(cuò)誤的判斷了需要做的事情，那就像射箭時(shí)弄錯(cuò)了靶子，做的越多錯(cuò)的越多。一個(gè)優(yōu)秀的激光雷達(dá)工程師是可以準(zhǔn)確定位出每一項(xiàng)任務(wù)中的核心點(diǎn)在哪里，或者說“主要矛盾”在哪里，從而做到有的放矢。

2.分析問題的能力：當(dāng)確定好目標(biāo)之后，一個(gè)工程師腦子中可能會(huì)浮現(xiàn)出許多解決方案，這時(shí)就需要分解問題的能力出場(chǎng)了。光學(xué)工程師需要根據(jù)自己的學(xué)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)找到自己面臨問題的關(guān)鍵點(diǎn)，從而首先制定出解決這個(gè)關(guān)鍵問題的方案，再以此為基礎(chǔ)，循序漸進(jìn)地推導(dǎo)出剩下的解決方案，從而完成任務(wù)。

3.歸納和總結(jié)的能力：這種能力實(shí)際上是“經(jīng)驗(yàn)”的另一種說法。歸納和總結(jié)代表對(duì)于過往工作中遇到的情況的一種復(fù)習(xí)和反省，有足夠的歸納總結(jié)才有可能避免在以往工作中遇到的問題再一次出現(xiàn)，也才可以從過去的精力中真正學(xué)習(xí)，將日復(fù)一日的工作變成自己的積累。

4.溝通和協(xié)作的能力：在當(dāng)前社會(huì)，合作是工作的主要表現(xiàn)形式，由一個(gè)人就可以單獨(dú)完成的工作會(huì)越來越少。因此與同事的溝通協(xié)作能力就決定了這個(gè)團(tuán)隊(duì)能力的下限。如果兩個(gè)工程師自身的能力都是100%，但是他們交流溝通并不順利，溝通效率只有40%，則這個(gè)團(tuán)隊(duì)的總能力并不是100%+100%=200%，而是只有100%×40%+100%×40%=80%，反倒不如一個(gè)人的能力強(qiáng)。這個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算體現(xiàn)出了溝通協(xié)作能力的重要性。

四、激光雷達(dá)光學(xué)工程師的自我修養(yǎng)之三：觸類旁通，融會(huì)貫通

一位激光雷達(dá)光學(xué)工程師在日常工作中必然會(huì)和其他同事有交集與合作。在合作的開始階段，在工作中雙方通常會(huì)嚴(yán)格遵守自己的知識(shí)邊界，只做好自己分內(nèi)的事情。

但是，這樣子會(huì)產(chǎn)生很多其他的問題，比如光學(xué)工程師設(shè)計(jì)的方案在其他工程師如電子工程師、硬件工程師眼里并非具有可行性，更多的方案可能會(huì)淪為“紙上談兵”。隨著工作的開展和與其他同事的交流逐漸深入，隨著“經(jīng)驗(yàn)”的積累，也可以逐漸進(jìn)行一些初步的判斷，判斷自己產(chǎn)生的方案是否可行。

然而，僅僅有這些“經(jīng)驗(yàn)”并不夠，我們需要將“經(jīng)驗(yàn)”轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢苑e累的知識(shí)，來充實(shí)自己，提高工作的效率。

所以，對(duì)于一個(gè)進(jìn)階的光學(xué)工程師，對(duì)于知識(shí)的學(xué)習(xí)要以本職工作為基礎(chǔ)，再逐次拓展自己的知識(shí)體系，從而可以更好的提高工作效率。正如同兩塊相互貼的很緊的兩種金屬一樣，時(shí)間長(zhǎng)了之后，兩種金屬的原子會(huì)相互滲透。當(dāng)光學(xué)工程師和其他工程師在一起工作，相互配合時(shí)，也需要學(xué)習(xí)和自己工作相關(guān)的其他領(lǐng)域知識(shí)，立足于自身知識(shí)水平向外拓展。

五、激光雷達(dá)光學(xué)工程師的自我修養(yǎng)之四：終有大成，向系統(tǒng)工程師邁進(jìn)

如果我們從一個(gè)激光雷達(dá)的所有光學(xué)設(shè)備出發(fā)，會(huì)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)可以幾乎構(gòu)成了完整的激光雷達(dá)模組，也可以完成所有的能量環(huán)路流程。于是，僅僅從光學(xué)角度為基礎(chǔ)，一名光學(xué)工程師就可以試圖著手建立整個(gè)激光雷達(dá)的理論模型了。

但是，僅僅對(duì)于光學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通并不能成為系統(tǒng)工程師，仍需要學(xué)習(xí)搭建整個(gè)系統(tǒng)中缺失的另外一半拼圖：電學(xué)知識(shí)，特別是電路知識(shí)。所以，若要以系統(tǒng)工程師作為最終的職業(yè)發(fā)展目標(biāo)，一名光學(xué)工程師并不能滿足于當(dāng)前的知識(shí)儲(chǔ)備，應(yīng)當(dāng)立足光學(xué)，放眼更多的知識(shí)領(lǐng)域，這樣才能融會(huì)貫通，終成大器。

六、結(jié)語

激光雷達(dá)這個(gè)領(lǐng)域并不是一個(gè)很新的領(lǐng)域，只是在這幾年隨著自動(dòng)駕駛的興起，逐漸變成了一個(gè)“顯學(xué)”。激光雷達(dá)是一個(gè)光電混合的設(shè)備，目前并沒有特別對(duì)口的專業(yè)設(shè)置，大部分的從業(yè)者都是半路出家的，知識(shí)背景比較繁雜，所以對(duì)于應(yīng)有的知識(shí)點(diǎn)需要查缺補(bǔ)漏。此外，在實(shí)際工作中，需要更注意這是一個(gè)多領(lǐng)域交叉很深的學(xué)科，需要更多的和同事進(jìn)行交流溝通，來降低走彎路的可能。