从3D的激光测距仪光学逆向工程

3D 模型逆向工程：激光测距仪光学系统剖析

这款飞行时间（TOF）激光测距仪通过其 3D 模型的逆向工程进行拆解分析。从外壳几何形状和镜筒尺寸，我们重构了输入激光束直径最高达 0.8 mm、光学元件类型以及玻璃材料。Zemax 仿真验证了采用三片透镜的束扩设计。

光学系统结构

脉冲激光测距仪的光学布局包括以下关键组件：

• 发射器 — 带准直光学系统的激光二极管。
• 束扩器 — 望远式系统，用于扩大光束直径。
• 接收物镜。
• 光学滤光片。
• 探测器 — 雪崩光电二极管。

分析重点聚焦于束扩器。3D 模型揭示了镜筒结构，便于重构光路。透镜沿光路编号：1（负焦发散透镜），2 和 3（正焦组件）。

几何形状决定了透镜 1 上的最大光束直径约为 1.35 mm。考虑准直二极管的衍射效应，输入光束保持在透镜 2 镜筒内。

发射器与输出光束分析

发射器镜像真实的中国制造单元：蓝色密封胶固定光学元件，而第一片扩束透镜的悬臂式安装在玻璃块上会影响中心定位精度。出口透镜上的粉红色调暗示针对激光二极管波长（~905 nm）的抗反射镀膜。

输出光束建模为高斯分布，直径约 0.8 mm，并带有apodization（边缘能量 13%）。这是从透镜间参考光路推导出的极限值。

Zemax 建模

几何数据导入 Zemax：

• 输入光束：0.8 mm，高斯分布。
• 透镜 1：负焦，双凹面。
• 材料：测试 CDGM 玻璃（H-FK71 低 n_d=1.497；H-K9L 类似 BK7）。

透镜 1 上的光束直径比（0.256/0.15 ≈1.7）指向 n=1.7 稠密冠玻璃。全用 H-K9L 时，会产生发散光束（RMS 165 mrad，出口 21.4 mm 而非预期 14 mm）。

与束扩器预期的关键偏差：

• 虚像位于透镜 1 左侧。
• D>0.8 mm 时出现遮蔽。
• 非无焦系统，输出非平行光。

需选用特定玻璃（非全 H-K9L）并微调曲率半径（R=117.38 mm 近似平面）以实现无焦性。

与设计方案对比

作者的束扩器设计：

• 负透镜匹配曲率半径（提高模具效率）。
• 平面代替 R=117.38 mm。
• 统一玻璃（BK7/H-K9L）。

中国版本更复杂：玻璃种类多样，曲率半径非最优。几何匹配确认了望远方案对激光束的通用性。

计算光束直径：

| 透镜 | 输入 D (mm) | 输出 D (mm) | 限制因素 |

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

| 1 | 0.8 | 1.35 | 安装 |

| 2 | ~2.5 | ~4 | 外壳 |

| 3 | ~12 | 14 | 出口 |

关键要点

• 镜筒几何决定输入激光束直径 ≤0.8 mm。
• 负透镜 1 需 n_d≈1.7 以减少遮蔽。
• 仅用定制 CDGM 玻璃才能实现无焦。
• 悬臂安装降低精度，影响测距性能。
• Zemax 结果与独立计算一致。

— Editorial Team