3D를 이용한 레이저 거리측정기 광학 역설계

3D 모델로 역설계한 레이저 거리측정기 광학계

이 비행시간(TOF) 레이저 거리측정기는 3D 모델 역설계를 통해 해부되었습니다. 하우징 형상과 렌즈 셀 치수로부터 입력 레이저 빔 직경 최대 0.8mm, 광학 소자 유형, 유리 재질을 재구성했습니다. Zemax 시뮬레이션으로 3렌즈 구성의 빔 익스팬더 설계를 검증했습니다.

광학 시스템 구조

펄스 레이저 거리측정기의 광학 레이아웃은 다음 주요 구성 요소를 포함합니다:

• 송신기 — 콜리메이팅 광학이 적용된 레이저 다이오드.
• 빔 익스팬더 — 빔 직경을 확대하는 망원 시스템.
• 수신 오브젝트.
• 광학 필터.
• 검출기 — 애벌랜치 포토다이오드.

분석은 빔 익스팬더에 초점을 맞췄습니다. 3D 모델에서 렌즈 셀을 확인해 빛 경로를 재구성했습니다. 렌즈는 빛 경로를 따라 번호 매김: 1(음의 발산 렌즈), 2와 3(양의 구성 요소).

기하학적으로 렌즈 1의 최대 빔 직경은 ~1.35mm입니다. 콜리메이션된 다이오드의 회절을 고려하면 입력 빔은 렌즈 2 셀 내에 유지됩니다.

송신기와 출력 빔 분석

송신기는 실제 중국산 유닛을 반영합니다: 파란 실란트로 광학계를 고정하고, 첫 번째 익스팬더 렌즈의 캔틸레버 마운트가 유리 블록에서 중심 정밀도를 떨어뜨립니다. 출구 렌즈의 분홍빛 톤은 레이저 다이오드 파장(~905nm)에 맞춘 반사방지 코팅을 시사합니다.

출력 빔은 ~0.8mm 직경의 가우시안 형태로 모델링되었으며, 에지 에너지 13%의 아포디제이션 적용. 이는 렌즈 간 기준 빛 경로에서 도출된 한계값입니다.

Zemax 모델링

기하학을 Zemax에 불러옵니다:

• 입력 빔: 0.8mm, 가우시안 프로파일.
• 렌즈 1: 음의, 오목 표면.
• 재질: CDGM 유리 테스트(H-FK71 저 n_d=1.497; H-K9L은 BK7 유사).

렌즈 1의 빔 직경 비율(0.256/0.15 ≈1.7)은 n=1.7 고밀도 크라운 유리를 가리킵니다. 모든 H-K9L 사용 시 발산 빔(165 mrad RMS, 21.4mm 출구 vs. 예상 14mm) 발생.

빔 익스팬더 기대치와의 주요 차이:

• 렌즈 1 왼쪽 가상 이미지.
• D>0.8mm에서 비네팅.
• 비아포칼 시스템, 평행 출력 없음.

유리 선택(모두 H-K9L 아님)과 반경 조정(R=117.38mm 거의 평면)이 아포칼성을 위해 필요합니다.

설계도와 비교

저자 빔 익스팬더 설계:

• 음의 렌즈 동일 반경(공구 효율).
• R=117.38mm 대신 평면.
• 균일 유리(BK7/H-K9L).

중국 버전은 더 복잡: 다양한 유리, 비최적 반경. 기하학 일치로 망원 스키마의 레이저 빔 다용성을 확인.

계산된 빔 직경:

| 렌즈 | 입력 D (mm) | 출력 D (mm) | 제한 요인 |

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

| 1 | 0.8 | 1.35 | 마운트 |

| 2 | ~2.5 | ~4 | 하우징 |

| 3 | ~12 | 14 | 출구 |

주요 결론

• 셀 기하학으로 입력 레이저 빔 직경 ≤0.8mm.
• 음의 렌즈 1은 n_d≈1.7 필요, 비네팅 감소.
• 맞춤 CDGM 유리(모두 H-K9L 아님)로만 아포칼.
• 캔틸레버 마운트 정밀도 저하, 거리 성능 영향.
• Zemax이 독립 계산과 일치.

— Editorial Team