Rückentwicklung der Optik von Laser-Entfernungsmessern aus 3D

Reverse Engineering der Optik eines Laser-Entfernungsmessers aus 3D-Modell

Dieser Laufzeit-basierte (TOF) Laser-Entfernungsmesser wird durch Reverse Engineering seines 3D-Modells zerlegt. Aus der Geometrie des Gehäuses und den Abmessungen der Linsenzellen rekonstruieren wir den Durchmesser des Eingangs-Laserstrahls bis zu 0,8 mm, die Typen der optischen Elemente und die Glasarten. Zemax-Simulationen bestätigen ein Strahlaufweitungsdesign mit einem Drei-Linsen-System.

Struktur des Optischen Systems

Das optische Layout des gepulsten Laser-Entfernungsmessers umfasst diese zentralen Komponenten:

• Sender — Laserdiode mit kollimierender Optik.
• Strahlaufweiter — teleskopisches System zur Vergrößerung des Strahldurchmessers.
• Empfängerobjektiv.
• Optischer Filter.
• Detektor — Lawinenphotodiode.

Die Analyse konzentriert sich auf den Strahlaufweiter. Das 3D-Modell zeigt Linsenzellen, die eine Rekonstruktion der Lichtwege ermöglichen. Die Linsen sind entlang des Lichtwegs nummeriert: 1 (negative Divergenzlinse), 2 und 3 (positive Komponenten).

Die Geometrie legt den maximalen Strahldurchmesser auf Linse 1 bei ~1,35 mm fest. Unter Berücksichtigung der Beugung der kollimierten Diode bleibt der Eingangsstrahl innerhalb der Zelle von Linse 2.

Analyse von Sender und Ausgangsstrahl

Der Sender spiegelt reale chinesische Einheiten wider: Blaues Dichtungsmaterial fixiert die Optik, während die Kragaufnahme der ersten Aufweitungs-Linse auf einem Glasblock die Zentrierungsgenauigkeit beeinträchtigt. Ein rötlicher Schimmer auf der Ausgangslinse deutet auf eine antireflektierende Beschichtung hin, die auf die Wellenlänge der Laserdiode abgestimmt ist (~905 nm).

Der Ausgangsstrahl wird als Gaußsches Profil mit ~0,8 mm Durchmesser und Apodisation (13 % Randenergie) modelliert. Dies ist die Grenze aus den Referenzlichtwegen zwischen den Linsen.

Zemax-Modellierung

Die Geometrie wird in Zemax importiert:

• Eingangsstrahl: 0,8 mm, Gauß-Profil.
• Linse 1: negativ, konkave Flächen.
• Materialien: Getestet mit CDGM-Gläsern (H-FK71 niedriges n_d=1,497; H-K9L ähnlich BK7).

Das Strahldurchmesser-Verhältnis auf Linse 1 (0,256/0,15 ≈1,7) deutet auf n=1,7 denses Kronenglas hin. Mit reinem H-K9L entsteht ein divergierender Strahl (165 mrad RMS, 21,4 mm Ausgang vs. erwartete 14 mm).

Wichtige Abweichungen von Strahlaufweiter-Erwartungen:

• Virtuelles Bild links von Linse 1.
• Vignettierung ab D>0,8 mm.
• Nicht-afokales System, kein paralleler Ausgang.

Glasauswahl (nicht alles H-K9L) und Radiusanpassungen (R=117,38 mm nahezu flach) sind für Afokalität erforderlich.

Vergleich mit Designschema

Design des Autors für Strahlaufweiter:

• Passende Radien auf negativer Linse (Werkzeug-Effizienz).
• Flache Fläche statt R=117,38 mm.
• Einheitliches Glas (BK7/H-K9L).

Die chinesische Version ist komplexer: Verschiedene Gläser, suboptimale Radien. Die Geometrie passt, was die Vielseitigkeit des teleskopischen Schemas für Laserstrahlen bestätigt.

Berechnete Strahldurchmesser:

| Linse | Eingangs-D (mm) | Ausgangs-D (mm) | Limit |

|-------|-----------------|-----------------|-------------|

| 1 | 0,8 | 1,35 | Aufnahme |

| 2 | ~2,5 | ~4 | Gehäuse |

| 3 | ~12 | 14 | Ausgang |

Wichtige Erkenntnisse

• Eingangs-Laserstrahldurchmesser ≤0,8 mm aus Zellen-Geometrie.
• Negative Linse 1 benötigt n_d≈1,7 zur Vignettierungsreduktion.
• Afokal nur mit maßgeschneiderten CDGM-Gläsern (nicht alles H-K9L).
• Kragaufnahme mindert Präzision, beeinflusst Reichweiten-Specs.
• Zemax stimmt mit unabhängigen Berechnungen überein.

— Editorial Team