Коллимирующая оптическая система для полупроводникового лазера
Владельцы патента RU 2481605:
Открытое акционерное общество "Красногорский завод имени С.А. Зверева" (RU)
Коллимирующая оптическая система может использоваться в оптико-электронных системах измерения расстояния, локации, наведения, связи, в которых используются полупроводниковые лазеры. Коллимирующая оптическая система содержит последовательно расположенные по ходу лучей объектив и две прямые призмы. Ребра преломляющих двугранных углов призм ориентированы перпендикулярно плоскости полупроводникового перехода. Преломляющие углы призм одинаковы и выбираются в пределах 20…42°, α - углы падения пучков излучения на призмы и β - преломляющие углы призм выбираются из соотношения:
где n - показатель преломления материала призмы. Фокусное расстояние объектива F выбирается из соотношения
где φ - требуемая расходимость излучения; a|| - размер излучающей области полупроводникового лазера в плоскости, параллельной плоскости полупроводникового перехода. Технический результат - снижение габаритов оптико-электронных приборов, в которых используется излучение полупроводниковых лазеров, при сохранении качества. 5 ил.
Изобретение относится к оптико-электронным системам измерения расстояния, локации, наведения, связи и другим устройствам, в которых используется излучение полупроводниковых лазеров.
Известны лазерные дальномеры [Абрамов А.И. и др. Разработка лазерных дальномеров-биноклей на Красногорском заводе им. С.А.Зверева // Оптический журнал, 2009. №8. С.18-19], в которых для формирования пучка излучения полупроводникового лазера применяются объективы. Излучающей областью импульсного полупроводникового лазера является p-n переход, длина которого, a||~120…350 мкм [Справочник по лазерной технике. Перевод с немецкого В.Н.Белоусова. / Под ред. А.П.Напартовича. М.: Энергоатомиздат, 1991. С.138], при ширине перехода (a⊥) порядка нескольких микрон. Объектив дальномера проецирует изображение излучающей области в плоскость предмета, до которого измеряется расстояние.
Минимальные значения расходимости пучка излучения на выходе объектива дальномера по ортогональным координатам определяются по формуле
где F - фокусное расстояние объектива.
Формула (1) справедлива, если F>>a||, ⊥, что обычно выполняется в оптических системах дальномеров.
Световой размер D||, ⊥ объектива дальномера, при отсутствии виньетирования излучения, определяется по формуле
где θ||, ⊥ - углы расходимости излучения лазера по ортогональным координатам.
Из-за различия размеров a || и a ⊥ поперечное сечение пучка излучения в плоскости объекта, до которого измеряется расстояние, представляет плоскую фигуру, симметричную относительно центра, границы фигуры, в общем случае, овал [Патент РФ №2343413, МПК G01C 3/08, G01S 17/10, дата публикации 10.01.2009. Фиг.2], причем длина овала значительно больше его ширины. Для большинства оптико-электронных систем измерения расстояния, локации и т.п. желательно, чтобы границы указанного выше сечения были близки к окружности. Например, при неосесимметричном сечении пучка излучения дальномера возможно влияние помех за счет отражения излучения от предметов, расположенных ближе или дальше от плоскости объекта, что может приводить к ошибкам при измерении расстояния.
Для коррекции формы сечения пучка излучения предложены различные технические решения. Наиболее близким аналогом к заявляемому решению является коллимирующая оптическая система для полупроводникового лазера [Патент РФ №2101743, МПК G02B 27/30, дата публикации 10.01.1998], содержащая последовательно расположенные по ходу лучей объектив и группу призм. Ребра преломляющих двугранных углов призм ориентированы параллельно плоскости полупроводникового перехода, преломляющие углы призм выбираются в пределах 25…40°, угловое увеличение Г группы призм выбирается из следующего соотношения:
где θ⊥ и θ|| - углы расходимости излучения полупроводникового лазера в плоскостях, перпендикулярной и параллельной плоскости полупроводникового перехода соответственно, передняя фокальная плоскость объектива смещена относительно предметной плоскости на расстояние δ0, определяемое соотношением:
где a || и a ⊥ - размеры тела свечения полупроводникового лазера в плоскостях, параллельной и перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода соответственно, а продольная сферическая аберрация δ(U)объектива выбирается из следующего соотношения:
где U - апертурный угол объектива;
δ0 - расстояние от передней фокальной плоскости объектива до предметной плоскости;
θ⊥ - угол расходимости излучения полупроводникового лазера по уровню 0,5 в плоскости, перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода.
Рассматриваемая оптическая система обеспечивает формирование осесимметричного пучка излучения, при этом, как следует из фиг.1 вышеуказанного патента РФ №2101743, левые преломляющие грани призм 4 и 5 перпендикулярны оптической оси объектива. Размер сечения пучка излучения в плоскости, перпендикулярной преломляющим граням призм, после прохождения пучка излучения через призмы уменьшится, т.е. расходимость пучка увеличится (угловое увеличение Г≥1). Таким образом, минимальную расходимость пучка излучения после всей оптической системы (при Г=1) можно определить по формуле (1); при этом F - фокусное расстояние объектива, состоящего из линз 2 и 3.
Оценим габариты оптической системы по техническому решению патента РФ №2101743 применительно к дальномеру-биноклю ЛДБ 7×40, рассмотренному в статье [Абрамов А.И. и др. Разработка лазерных дальномеров-биноклей на Красногорском заводе им. С.А.Зверева // Оптический журнал, 2009. №8. С.19]. Расходимость пучка излучения на выходе объектива дальномера составляет порядка 8' и, как указано в этой статье на странице 21, для обеспечения возможности измерения расстояния до малоразмерного предмета необходимо повысить угловое разрешение дальномера, т.е уменьшить расходимость пучка излучения. У лазера типа SPL90-3 фирмы OSRAM, использованного в дальномере-бинокле, длина излучающей области равна 200 мкм [OSRAM Optpo Semiconductors. Product Catalog. 2004]. Расчет по формуле (1) показывает, что при уменьшении расходимости в два раза (до 4'), потребуется объектив с фокусным расстоянием порядка 170 мм. Расходимость излучения лазера составляет (25×11)° и при вычислении по формуле (2) световой диаметр объектива D≥70 мм (для расходимости 25°). Объектив с такими габаритами неприемлем для размещения в малогабаритных приборах типа бинокля.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание системы, формирующей осесимметричный пучок лазерного излучения, с требуемой расходимостью, от полупроводникового лазера при минимальных габаритах коллимирующей оптической системы.
Технический результат заключается в снижении габаритов оптико-электронных приборов, в которых используется излучение полупроводниковых лазеров, при сохранении качества.
Указанный технический результат достигается с помощью коллимирующей оптической системы для полупроводникового лазера, содержащей последовательно расположенные по ходу лучей объектив и две прямые призмы, в отличие от известного ребра преломляющих двугранных углов призм ориентированы перпендикулярно плоскости полупроводникового перехода, а преломляющие углы призм одинаковы и выбираются в пределах 20…42°, причем α - углы падения пучков излучения на призмы и β - преломляющие углы призм выбираются из соотношения:
где n - показатель преломления материала призмы, а F - фокусное расстояние объектива выбирается из соотношения:
где φ -требуемая расходимость излучения на выходе объектива,
a || - размер излучающей области полупроводникового лазера в плоскости, параллельной плоскости полупроводникового перехода.
На фиг.1 изображена функциональная схема устройства (вид сверху), на фиг.2 показан вид устройства сбоку. Фиг.3-5 поясняют принцип изменения расходимости пучка излучения при прохождении пучка излучения через призму.
Коллимирующая оптическая система (фиг.1, 2) содержит полупроводниковый лазер 1, объектив 2, первую призму 3 и вторую призму 4. Излучающая область лазера 1 расположена в фокальной плоскости объектива 2. Далее, на оптической оси объектива 2 установлена первая призма 3 и последовательно с ней - вторая призма 4. Обе призмы - прямые, их перпендикулярные сечения параллельны между собой и параллельны наибольшей стороне p-n перехода лазера. Ребра преломляющих двугранных углов призм ориентированы перпендикулярно плоскости полупроводникового перехода. Углы между преломляющими гранями призм 3 и 4 выполнены одинаковыми по величине, в пределах 20…42°. Призмы изготовлены из одного и того же оптического материала, например из оптического стекла марки ТФ10. Входные грани призм установлены по отношению к падающему на них пучку таким образом, что на выходе каждой призмы ось пучка перпендикулярна выходной грани призмы.
На фиг.3 проиллюстрировано прохождение пучка оптического излучения (линейный размер сечения пучка L1) через призму с углом при вершине β. Геометрическая ось пучка излучения ориентирована под углом α относительно нормали к входной грани призмы. При условии выполнения формулы (6) ось пучка излучения будет ориентирована под углом 90° к выходной грани призмы, линейный размер сечения пучка излучения на выходе призмы составит L2.
В качестве примера на фиг.4 показана зависимость α(β) для оптического стекла марки ЛК6 (n=1,47) и оптического стекла марки ТФ10 (n=1,806). Практически все распространенные марки оптических стекол имеют показатели преломления в диапазоне между указанными выше значениями. Таким образом, для призмы с известными параметрами β и n однозначно определяется угол α, при котором ось пучка излучения составляет угол 90° относительно нормали к выходной грани призмы.
Угловое увеличение призмы Г
Графики Г(β) для указанных выше марок стекол приведены на фиг.5.
Из рисунка следует, что параметр Г может достигать значения 0,2 и менее, т.е. призма позволяет уменьшить расходимость пучка оптического излучения до пяти раз (по одной координате). Максимальный угол при вершине призмы ограничен значением угла полного внутреннего отражения (для стекла марки ЛК6 ~42°), а при углах менее 20° параметр Г составит, для различных марок стекол, 0,85…0,9 и уменьшение расходимости на выходе призмы будет незначительно. Поэтому угол β для практически применяемых марок оптических стекол, как следует из фиг.4, следует выбирать в диапазоне от 20° до 42°, в отличие от прототипа, где этот угол выбирается в пределах 25° до 40°.
Поскольку пучок оптического излучения после призмы изменяет направление распространения, в устройстве, показанном на фиг.1, последовательно с первой призмой 3 установлена вторая призма 4, изготовленная из того же материала и с таким же углом при вершине. При этом оси пучков излучения на входе и выходе системы из призм 3 и 4 будут параллельны, что удобно при компоновке оптических приборов. Угловое увеличение двух призм в схеме фиг.1 составит Г2, где Г - угловое увеличение одной призмы.
Оценить габариты рассматриваемого устройства целесообразно при тех же исходных данных, которые использованы при анализе прототипа: длина излучающей области лазера 200 мкм, расходимость излучения лазера (25×11)°. Если принять фокусное расстояние объектива 2 равным 35 мм, то расходимость пучка излучения по координате, параллельной наибольшей стороне p-n перехода лазера, по формуле (1):
- значение расходимости пучка излучения на входе первой призмы в плоскости, параллельной плоскости полупроводникового перехода.
Для получения после призменной системы расходимости 4' необходимо, чтобы угловое увеличение двух призм составило 0,2, для этого угловое увеличение одной призмы должно быть 
. Параметр Г определяется по формуле (7). Как следует из графиков, приведенных на фиг.4, для стекла марки ТФ10 угол при вершине призмы β≈32°, соответственно из фиг.3 угол α≈65°.
Линейный размер сечения пучка излучения после объектива 2 (фиг.1), по формуле (2), D1≥2·35·tg5,5°≈7 мм. После прохождения излучения через призмы 3 и 4 этот размер увеличится примерно в 5 раз, т.е. составит порядка 35 мм. С учетом технологических допусков можно принять линейный размер бокового ребра призмы 4 по координате, лежащей в плоскости чертежа фиг.1, равным 50 мм.
По второй координате (фиг.2) размер излучающей области лазера составляет 10 микрон [OSRAM Optpo Semiconductors. Product Catalog. 2004], соответствующие расчеты дают значения D⊥1≈1', D2≈16 мм. После прохождения излучения через призмы 3 и 4 этот размер практически не увеличится (по этой координате призмы эквивалентны плоскопараллельным пластинкам) и можно принять размер ребра призмы 4 по координате, лежащей в плоскости чертежа фиг.2, равным 20 мм.
Как видно из сравнения габаритов оптической системы, показанных на фиг.1 и 2, с габаритами прототипа (при тех же выходных характеристиках), последние значительно больше, например у прототипа диаметр выходного зрачка объектива, как было рассчитано выше, не менее 70 мм (площадь более 38 см2), а у предлагаемого устройства - 20×50 мм2 (площадь 10 см2). Общая длина оптической схемы от излучающей области лазера до выходного ребра призмы 4 (фиг.1) составит порядка 105 мм, у прототипа этот размер, как было определено выше, 170 мм.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет существенно уменьшить габариты оптико-электронного прибора и получить заявленный технический результат.
Коллимирующая оптическая система работает следующим образом. Расходящийся пучок излучения полупроводникового лазера преобразуется объективом в слабо расходящийся световой пучок (20×1)'. Далее пучок излучения пройдет через первую и вторую призмы и расходимость на выходе по одной координате составит: φ||2=φ||1·Г2≈20'·0,2=4', а по второй координате не изменится, т.к. для этой координаты призмы эквивалентны плоскопараллельным пластинкам.
В результате на выходе коллимирующей оптической системы будет сформирован пучок излучения с расходимостью порядка (4×1)'. Для достижения осевой симметрии излучающую область лазера необходимо сместить относительно фокальной плоскости объектива. При удалении излучающей области лазера на расстояние z от фокальной плоскости линейный размер пятна излучения в этой плоскости составит
Расшифровки обозначений a ⊥, θ⊥ и их числовые значения приведены выше.
Расчет показывает, что для приведенных выше числовых значений параметров смещение z составит порядка 0,15 мм, при этом расходимость излучения по второй координате практически не изменится. В результате на выходе призм будет сформирован осесимметричный световой пучок с расходимостью ~4' по обеим координатам.
На практике выставка положения излучающей области лазера относительно фокальной плоскости объектива производится в процессе настройки оптического канала формирования пучка излучения, поэтому включение соотношения (10) в формулу изобретения нецелесообразно.
Таким образом, в результате предложенного решения решается задача формирования осесимметричного пучка лазерного излучения от полупроводникового лазера, с требуемой расходимостью, при обеспечении технического результата - снижении габаритов оптико-электронных приборов, в которых используется излучение полупроводниковых лазеров.
Коллимирующая оптическая система для полупроводникового лазера, содержащая последовательно расположенные по ходу лучей объектив и две прямые призмы, отличающаяся тем, что ребра преломляющих двугранных углов призм ориентированы перпендикулярно плоскости полупроводникового перехода, преломляющие углы призм одинаковы и выбираются в пределах 20÷42°, α - углы падения пучков излучения на призмы; β - преломляющие углы призм выбираются из соотношения
где n - показатель преломления материала призмы,
a F - фокусное расстояние объектива выбирается из соотношения
где φ - требуемая расходимость излучения;
a|| - размер излучающей области полупроводникового лазера в плоскости, параллельной плоскости полупроводникового перехода.
