Лазерный дальномер
Владельцы патента RU 2620765:
Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (RU)
Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер содержит приемное устройство, включающее приемный объектив и фотоприемник, и передающее устройство, включающее объектив и два лазерных излучателя, выходные пучки излучения которых поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора, выполненного в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины. При этом лазерные излучатели расположены со стороны одной из ее граней так, чтобы их оптические оси были параллельны, а плоскости поляризации лазерного излучения взаимно перпендикулярны, причем перед лазерными излучателями установлены цилиндрические линзы, каждая цилиндрическая линза неподвижно соединена с лазерным диодом, образуя лазерный модуль. По крайней мере один из лазерных модулей имеет возможность перемещения перпендикулярно оптической оси объектива и перпендикулярно геометрической оси цилиндрической линзы и имеет возможность фиксации в рабочем положении с заданной предельно допустимой погрешностью Δϕ взаимного углового рассогласования оптических осей выходных пучков зондирующего излучения, обеспечиваемой благодаря увеличению Г оптической системы передающего устройства. Технический результат – повышение дальности действия и повышение помехозащищенности лазерного дальномера. 3 ил.
Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии.
Известен лазерный дальномер [1], содержащий приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и два лазерных излучателя, выходные пучки излучения которых поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора. Оптический сумматор выполнен в виде поляризационного светоделительного кубика, а оптические оси лазерных излучателей расположены перпендикулярно его смежным граням и взаимно перпендикулярны между собой.
При таком построении оптического сумматора лазерные излучатели разнесены друг относительно друга, что усложняет конструкцию лазерного дальномера, увеличивает его габариты и затрудняет сопряжение оптических осей лазерных излучателей.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является лазерный дальномер, описанный в [2]. Этот лазерный дальномер содержит приемное устройство, включающее приемный объектив и фотоприемник, и передающее устройство, включающее объектив и два лазерных излучателя, выходные пучки излучения которых поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора, выполненного в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины, лазерные излучатели расположены со стороны одной из ее граней так, чтобы их оптические оси были параллельны, а плоскости поляризации лазерного излучения взаимно перпендикулярны, причем перед лазерными излучателями установлены цилиндрические линзы.
Вследствие технологического разброса параметров деталей и неточности сборки устройства возможно несовпадение оптических осей выходных пучков, что, с одной стороны, уменьшает концентрацию энергии зондирующего излучения на малоразмерных целях с соответствующим снижением дальности действия, а с другой стороны, приводит к искажениям диаграммы направленности, вследствие которых повышается вероятность ложных измерений до посторонних предметов.
Задачей изобретения является повышение дальности действия и повышение помехозащищенности лазерного дальномера.
Данная задача решается за счет того, что в известном дальномере, содержащем приемное устройство, включающее приемный объектив и фотоприемник, и передающее устройство, включающее объектив и два лазерных излучателя, выходные пучки излучения которых поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора, выполненного в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины, лазерные излучатели расположены со стороны одной из ее граней так, чтобы их оптические оси были параллельны, а плоскости поляризации лазерного излучения взаимно перпендикулярны, причем перед лазерными излучателями установлены цилиндрические линзы, каждая цилиндрическая линза неподвижно соединена с лазерным диодом, образуя лазерный модуль, по крайней мере один из лазерных модулей имеет возможность перемещения перпендикулярно оптической оси объектива и перпендикулярно геометрической оси цилиндрической линзы и имеет возможность фиксации в рабочем положении с заданной предельно допустимой погрешностью Δϕ взаимного углового рассогласования оптических осей выходных пучков зондирующего излучения, при этом эквивалентное фокусное расстояние Fэкв системы из объектива передающего устройства и цилиндрической линзы ограничено условиями , где где s1 - минимальный размер излучающей площадки лазерного диода, ψ1- расходимость излучения на выходе излучающей площадки в сечении s1, D - диаметр объектива передающего устройства, ϕ1 - расходимость излучения на выходе дальномера в сечении излучающей площадки s1, а фокусное расстояние F объектива передающего устройства удовлетворяет условию 
, где s2 - максимальный размер излучающей площадки, ϕ2 - расходимость излучения на выходе дальномера в сечении излучающей площадки s2, причем увеличение оптической системы передающего устройства
, ΔST - технологический допуск на установку лазерного модуля, ΔSϕ=Δϕ⋅F.
На фиг. 1 представлена блок-схема лазерного дальномера. На фиг. 2 - оптическая схема передающего канала при перпендикулярном (фиг. 2а) и параллельном (фиг. 2б) расположении излучающих площадок. На фиг 3 показана эквивалентная оптическая схема одной ветви передающего канала при соосном положении объектива и цилиндрической линзы.
Лазерный дальномер (фиг. 1) содержит передающее устройство 1, приемное устройство 2, блок управления и обработки информации 3. Лазерные излучатели 4 и 5 закреплены перед оптическим сумматором 6, на выходе которого установлен передающий объектив 7. Оптический сумматор включает цилиндрические линзы 10 и 11 и двулучепреломляющую плоскопараллельную пластину 12. Линза 10 и лазерный диод 4 образуют лазерный модуль 14. Приемный объектив 8 фокусирует отраженное целью излучение на фотоприемник 9, выход которого подключен к блоку управления и обработки информации 3.
Устройство работает следующим образом.
Пучки зондирующего излучения от излучателей 6 и 7, управляемых сигналами с блока управления и обработки информации 3, собираются коллекторными линзами 10 и 11 и с помощью двулучепреломляющей пластины 12 объединяются и направляются на объектив 7, формирующий параллельный пучок излучения, посылаемого на цель. При параллельном размещении излучающих площадок их совмещение двулучепреломляющей пластиной обеспечивается установкой в один из пучков излучения полуволновой пластинки 13. Отраженное целью излучение принимается объективом 8 приемного устройства 2 и фокусируется на чувствительной площадке фотоприемника 9. По задержке τ принятого сигнала относительно момента излучения зондирующего сигнала можно определить дальность до цели R=сτ/2, где с - скорость света.
В обозначениях Фиг. 2-4 справедливы соотношения.
где
s1 - минимальный габарит излучающей площадки;
ϕ1 - расходимость излучения на выходе объектива в сечении s1;
где ψ1 - расходимость излучения на выходе лазерного диода в сечении s1.
Из (1) и (4) следует
В сечении, совпадающем с продольным габаритом s2 излучающей площадки, цилиндрическая линза не действует, и в нем действуют условия.
где ψ2 - расходимость излучения на выходе лазерного диода в этом сечении.
где
s2 - максимальный габарит излучающей площадки;
ϕ2 - расходимость излучения на выходе объектива в сечении s2;
Пример.
s1=10 мкм; s2=100 мкм; ψ1=30°; ψ2=15°; ϕ1=ϕ2≤1 мрад; d=1 мм (кварцевое волокно круглого сечения с коэффициентом преломления n=1,45).
Из (9): 
.
Из (8):
.
Из (2) и (5):
Из (4):
а≤d/2tg(ψ1/2)=1/2tg(15°)=1,87 мм.
Для линзы с круглым сечением [3]
.
Пусть а=1 мм.
Из (6) и (7):
x1=f-а=1,79-1=0,79 мм. х2=f2/x1=1,792/0,79=4,06 мм.
Из (1):
- удовлетворяет (10) и (11).
Увеличение системы Г=F/Fэкв=100/26,3=3,8.
Расходимость излучения на выходе объектива (2):
- удовлетворяет условию (2).
Размеры и относительное положение объектива, плоскопараллельной двулучепреломляющей пластины, цилиндрической линзы и излучающей площадки лазера определяются погрешностями изготовления и могут приводить к недопустимому рассогласованию осей зондирующих пучков. Предлагаемое изобретение обеспечивает сведение этих оптических осей в пределах заданных требований путем фиксации в рабочем положении лазерного модуля 14, имеющего возможность перемещения перпендикулярно оптической оси объектива и перпендикулярно геометрической оси цилиндрической линзы.
При этом, как видно из приведенных соотношений, эквивалентная угловая погрешность фиксации оптических осей лазерных модулей относительно заданного угла расходимости ϕ1 в Г раз меньше, чем при независимой установке лазеров, цилиндрических линз и объектива. В приведенном примере увеличение Г=4, но при необходимости оно может быть увеличено до значений Г=10 и более.
Таким образом, данное техническое решение позволяет совместить излучение от двух лазерных диодов с высокой точностью и обеспечить решение поставленной задачи - повышение дальности действия и повышение помехозащищенности лазерного дальномера.
Источники информации
1. Патент США № 6714285 от 30 марта 2004 г., Кл. США 356/4.01.
2. Лазерный дальномер. Патент РФ № 2362120 по з-ке 2007145830 от 12.12.2007 г. - прототип.
3. М.И. Апенко, А.С. Дубовик. Прикладная оптика, М., «Наука», 1971 г. - 392 с.
Лазерный дальномер, содержащий приемное устройство, включающее приемный объектив и фотоприемник, и передающее устройство, включающее объектив и два лазерных излучателя, выходные пучки излучения которых поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора, выполненного в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины, лазерные излучатели расположены со стороны одной из ее граней так, чтобы их оптические оси были параллельны, а плоскости поляризации лазерного излучения взаимно перпендикулярны, причем перед лазерными излучателями установлены цилиндрические линзы, отличающийся тем, что каждая цилиндрическая линза неподвижно соединена с лазерным диодом, образуя лазерный модуль, по крайней мере один из лазерных модулей имеет возможность перемещения перпендикулярно оптической оси объектива и перпендикулярно геометрической оси цилиндрической линзы и имеет возможность фиксации в рабочем положении с заданной предельно допустимой погрешностью Δϕ взаимного углового рассогласования оптических осей выходных пучков зондирующего излучения, при этом эквивалентное фокусное расстояние Fэкв системы из объектива передающего устройства и цилиндрической линзы ограничено условиями 
, где s1 - минимальный размер излучающей площадки лазерного диода, ψ1 - расходимость излучения на выходе излучающей площадки в сечении s1, D - диаметр объектива передающего устройства, ϕ1 - расходимость излучения на выходе дальномера в сечении излучающей площадки s1, а фокусное расстояние F объектива передающего устройства удовлетворяет условию 
, где s2 - максимальный размер излучающей площадки, ϕ2 - расходимость излучения на выходе дальномера в сечении излучающей площадки s2, причем увеличение оптической системы передающего устройства 
, ΔST - технологический допуск на установку лазерного модуля, ΔSϕ=Δϕ⋅F.
