Лазерное сканирующее устройство

 

Изобретение относится к оптико-механическим сканирующим устройствам и может быть использовано в авиационных системах обзора местности в ночных условиях. Сущность изобретения: устройство содержит инфракрасный лазер 1, коллиматор 2, два зеркала 3 и 4, две сканирующие четырехгранные зеркальные призмы 5,7, два внеосевых параболических зеркала 8 и 9, расположенных по обе стороны от второй сканирующей призмы 7, трехгранную зеркальную призму 10. Отраженное от призмы 7 излучение фокусируется параболическими зеркалами 8,9 на поверхности фокона 11 и далее поступает на ливинный фотодиод 12. За счет использования фокона увеличивается дальность действия путем повышения отношения сигнал/шум. 3 ил.

Изобретение относится к оптико-механическим сканирующим устройствам и может быть использовано в авиационных системах обзора местности в ночных условиях.

Известно сканирующее устройство, содержащее четырехгранный зеркальный приемный сканер, механически соединенный с двигателем, первое внеосевое параболическое зеркало, второе внеосевое параболическое зеркало, расположенные по обе стороны от приемного сканера, ось которого перпендикулярна оптической оси параболических зеркал, суммирующую призму, расположенную над приемным сканером, ось которого параллельна оси суммирующей призмы, приемник оптического излучения, установленный в фокусе параболических зеркал [1] .

Данное устройство может работать только в пассивном режиме, что ограничивает в ночных условиях спектральный диапазон систем обзора местности.

Наиболее близким к изобретению является лазерное сканирующее устройство КА-98, cодержащее последовательно соединенные инфракрасный лазер, коллиматор, первое передающее зеркало, второе передающее зеркало, четырехгранный зеркальный передающий сканер, механически соединенный с двигателем, а также четырехгранный зеркальный приемный сканер, механически соединенный с двигателем, первое внеосевое параболическое зеркало, второе внеосевое параболическое зеркало, расположенные по обе стороны от приемного сканера, ось которого перпендикулярна оптической оси параболических зеркал, суммирующую зеркальную призму, расположенную над приемным сканером, ось которого параллельна оси суммирующей призмы, лавинный фотодиод, установленный в фокусе параболических зеркал [2] . Для увеличения эффективной фоточувствительной поверхности лавинные фотодиоды используются совместно с оптическими световодами, использующими эффект полного внутреннего отражения. Известны оптические световоды, выполненные в виде усеченного конуса, большее основание которого выполнено в виде сферической поверхности, центр кривизны которой лежит на оси световода, а меньшее основание оптически сопряжено с приемником оптического излучения.

Недостатком устройства является то, что при диаметре большего основания такого световода 5-6 мм и диаметре меньшего основания 0,5 мм, равном диаметру фоточувствительной области лавинного фотодиода, только незначительная часть фокусируемой параболическими зеркалами энергии достигает через световод фоточувствительной области лавинного фотокатода, что обуславливает низкое отношение сигнал/шум устройства.

Целью изобретения является увеличение отношения сигнал/шум лазерного сканирующего устройства.

Цель достигается тем, что устройство, содержащее инфракрасный лазер с последовательно установленными по ходу излучения коллиматором, двумя зеркалами и сканирующей четырехгранной зеркальной призмой, а также вторую сканирующую четырехгранную зеркальную призму, два внеосевых параболических зеркала, размещенных по обе стороны от второй сканирующей призмы оптическими осями в плоскости, перпендикулярной оси вращения этой призмы, трехгранную зеркальную призму, размещенную над второй призмой ребрами параллельно оси вращения второй сканирующей призмы и рабочими гранями сопряженную с оптическими осями параболических зеркал, и лавинный фотодиод, установленный в фокусе внеосевых параболических зеркал, снабжено оптическим световодом, выполненным в виде геометрической фигуры, представляющей собой усеченный конус, обрезанный двумя параллельными плоскостями, параллельными оси фокона и отстоящими от этой оси на расстоянии, большем радиуса меньшего основания фокона, но меньше половины радиуса большего основания фокона, при этом радиус большего основания фокона не менее чем в два раза больше радиуса меньшего основания, большее основание фокона выполнено в виде сферической поверхности, центр кривизны которой лежит на оси фокона, а меньшее основание оптически сопряжено с лавинным фотодиодом.

В лазерным сканирующих системах из-за конечности скорости света и линейного параллакса приемопередающего тракта при сканировании световое пятно смещается в фокальной плоскости параболических зеркал по гиперболе, которую можно аппроксимировать прямой, перпендикулярной оси приемопередающего сканера.

На фиг. 1 схематически изображено лазерное сканирующее устройство; на фиг.2 приведен вариант выполнения фокона, вид прямо; на фиг.3 - вид сверху.

Примером конкретной реализации является устройство, содержащее последовательно соединенные инфракрасный лазер 1, коллиматор 2, первое зеркало 3, второе зеркало 4, сканирующую четырехгранную зеркальную призму 5, механически соединенную с двигателем 6, а также сканирующую четырехгранную зеркальную призму 7, механически соединенную с двигателем 6, первое внеосевое параболическое зеркало 8, второе внеосевое параболическое зеркало 9, расположенные по обе стороны от второй сканирующей призмы 7, ось которой перпендикулярна оптической оси параболических зеркал 8, 9, трехгранную зеркальную призму 10, расположенную над второй сканирующей призмой 7, ось которой параллельна оси трехгранной призмы 10, оптический световод 11, фокон, установленный в фокусе параболических зеркал 8, 9, сопряженный с лавинным фотодиодом 12. Фокон 11 выполнен в виде геометрической фигуры, представляющей собой усеченный конус длиной Z = 12 мм, обрезанный двумя параллельными плоскостями, отстоящими от оси световода на расстояние х_o = ±0,75 мм. Диаметр большего основания конуса D = 6 мм, диаметр меньшего основания d = 0,5 мм. Большее основание конуса выполнено в виде сферической поверхности с радиусом кривизны R = 6 мм, центр кривизны которой лежит на оси световода 11, а меньшее основание оптически сопряжено в лавинным фотодиодом 12. Фокон 11 с размерами входного окна 1,5 х 6 мм ориентирован большой стороной окна в направлении смещения фокусируемого излучения. Фокон 11, использующий эффект полного внутреннего отражения, изготовлен из стекла с коэффициентом преломления n > 1,7, например из стекла ТФ-5. При изготовлении световода последовательно изготавливаются усеченный конус, сферической поверхность большего основания усеченного конуса и обрезается конус двумя плоскостями, отстоящими от оси конуса на равное расстояние. В качестве лазера 1 используется лазер инфракрасного диапазона, например полупроводниковый аресенид-галлиевый лазер. Угловое разрешение устройства определяется угловой расходимостью излучения на выходе коллиматора 2 и равно 2-3 угловым минутам. Два параболических зеркала 8,9 и трехгранная призма 10 действуют как эквивалентное параболическое зеркало длиной х = 160 мм и шириной у = 60 мм. Основные параметры устройства следующие: опережение лазерного излучения оси поля зрения приемного тракта Δϕ= 50', линейный параллакс приемопередающего тракта L = 0,15 м, фокусное расстояние параболических зеркал F = 0,2 м, частота сканирования f_ск = 714 Гц, угол сканирования Θ = ± 55^o, высота полета Н = 100 - 1000 м. В качестве лавинного фотодиода 12 использован фотодиод ФД-115Л с диаметром фоточувствительной площадки 0,5 мм.

Устройство работает в ближнем инфракрасном диапазоне. Лазерное излучение через зеркала 3,4 направляется на сканирующую четырехгранную зеркальную призму 5, которой осуществляется развертка по строке. Развертка по кадру осуществляется за счет полета носителя. Отраженное от местности лазерное излучение попадает на вторую сканирующую четырехгранную зеркальную призму 7, которая вращается двигателем 6 синхронно с призмой 5. Отраженное от призмы 7 излучение фокусируется параболическими зеркалами 8,9 на поверхности фокона 11. Из-за конечности скорости света и линейного параллакса приемопередающего тракта, при сканировании световое пятно смещается в фокальной плоскости параболических зеркал на гиперболе, которую можно аппроксимировать прямой, перпендикулярной оси призмы 7. Величина смещения Δy = Δϕ·F - где с - скорость света.

Величиной смещения по оси, параллельной оси приемного сканера, Δх = L F cos Θ/H можно пренебречь, так как при типичных параметрах аппаратуры Δх ≅ 0,3 мм. Размеры входного окна фокона выбраны больше, чем максимальное смешение ΔY = ± 2,6 мм. Фокон 11 при любых смещениях фокусируемого излучения передает его на фоточувствительную площадку лавинного фотодиода 12. Величина сигнала на выходе лавинного фотодиода пропорциональна коэффициенту отражения от местности, куда падало излучение инфракрасного лазера 1.

В результате расчетов было получено, что коэффициент пропускания К усеченного конического световода из стекла ТФ-5 длиной Z = 12 мм, диаметром большего основания D = 6 мм, диаметром меньшего основания d = 0,5 мм и радиусом кривизны большего основания R = 6 в зависимости от точки падения излучения на сферическую поверхность световода Δy изменяется от 18 до 22% (K = 18% при Δy = 0, K = 19% при Δy = ±1 мм, K = 20% при Δy = ±2 мм, K = 22% при Δy = ±2,95 мм). Для оптического световода, представляющего собой аналогичный усеченный конус (z = 12 мм, D = 6 мм, d = 0,5 мм, R = 6 мм), обрезанный двумя параллельными плоскостями, перпендикулярными оси приемного сканера (оси х), отстоящими от оси световода на расстоянии х_o = ±0,75 мм, коэффициент пропускания K изменяется в зависимости от точки падения Δу от 53 до 85% (K = 85% при Δу = 0, K = 80% при Δy = ±1 мм, K = 60% при Δy = ±2 мм, K = 53% при Δy = 2,95 мм). Использование оптического световода, представляющего собой усеченный конус, обрезанный двумя плоскостями, параллельными оси световода, позволяет увеличить коэффициент пропускания оптического световода в 2,4-4,7 раза.

Формула изобретения

ЛАЗЕРНОЕ СКАНИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, содержащее инфракрасный лазер с последовательно установленными по ходу излучения коллиматором, двумя зеркалами и сканирующей четырехгранной зеркальной призмой, а также вторую скнирующую четырехгранную зеркальную призму, два внеосевых параболических зеркала, размещенных по обе стороны от второй сканирующей призмы оптическими осями в плоскости, перпендикулярной к оси вращения этой призмы, трехгранную зеркальную призму, размещенную над второй сканирующей призмой ребрами параллельно оси вращения второй сканирующей призмы и рабочими гранями сопряженную с оптическими осями параболических зеркал, и лавинный фотодиод, установленный в фокусе внеосевых параболических зеркал, отличающееся тем, что, с целью увеличения дальности действия путем повышения отношения сигнал/шум, оно снабжено фоконом с выполненными в нем двумя параллельными плоскостями, параллельными оси фокона и отстоящими от этой оси на расстоянии большем радиуса меньшего основания фокона, но меньшем половины радиуса большего основания фокона, при этом радиус большего основания фокона не менее чем в два раза больше радиуса меньшего основания, большее основание фокона выполнено в виде сферической поверхности, центр кривизны которой лежит на оси фокона, а меньшее основание оптически сопряжено с лавинным фотодиодом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3