ИНФРАКРАСНЫЙ ПРОЖЕКТОР Российский патент 2007 года по МПК F21S8/00 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, более конкретно к устройствам и системам подсвета объектов в условиях недостаточной освещенности. Такие устройства применяются главным образом в системах наблюдения, в лазерной локации и в осветительной технике.

Наиболее близким по технической сущности является осветительное устройство для подсвета объектов в условиях недостаточной освещенности [1], содержащее оптически связанные лазерный излучатель и объектив, блок управления, выход которого соединен с лазерным излучателем.

Основными недостатками указанного устройства являются недостаточная стабильность выходной мощности и длины волны излучения лазерного излучателя при изменении собственной температуры и температуры окружающей среды, значительное снижение срока эксплуатации при перегреве лазерного излучателя, а также отсутствие возможности оперативно изменять направление распространения светового пучка лазерного излучения.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей, повышение стабильности выходных параметров лазерного излучения и увеличение срока эксплуатации.

Для решения поставленной задачи инфракрасный прожектор, содержащий оптически связанные лазерный излучатель и объектив, первый блок управления, выход которого соединен с лазерным излучателем, в отличие от прототипа дополнительно содержит отклоняющую систему, расположенную на выходе объектива и состоящую из зеркала с осью вращения, датчика положения, поворотного механизма и второго блока управления, при этом ось вращения зеркала кинематически связана с датчиком положения, выход которого соединен с первым входом второго блока управления, выход которого соединен с поворотным механизмом, который кинематически связан с осью вращения зеркала, оптически связанного с объективом, и систему термостабилизации, содержащую датчик температуры, контроллер, блок питания, термоэлектрический модуль с системой теплоотвода и основание, при этом лазерный излучатель, датчик температуры и термоэлектрический модуль расположены на основании для обеспечения между собой теплового контакта, выход датчика температуры соединен с входом контроллера, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с входом первого блока управления, с входом блока питания и с входом индикатора готовности, выход блока питания соединен с входом термоэлектрического модуля, причем первый блок управления выполнен в виде управляемого генератора тока, а лазерный излучатель установлен вблизи фокальной плоскости объектива.

Инфракрасный прожектор может быть дополнен регулятором изменения мощности излучения, который соединен со вторым входом первого блока управления.

К параметрам лазерного излучения относятся длина волны, мощность излучения и равномерность освещенности по всей площади светового пятна, создаваемая лазерным излучателем совместно с объективом.

При включении инфракрасного прожектора происходят выделение тепловой энергии и нагрев лазерного излучателя, приводящий к изменению параметров лазерного излучения, таких как длина волны, мощность излучения, а также к возможному перегреву и, как следствие, к значительному снижению срока эксплуатации инфракрасного прожектора. Для обеспечения стабильности выходных параметров и увеличения срока службы инфракрасного прожектора путем поддержания заданного температурного режима работы лазерного излучателя введена система термостабилизации, содержащая датчик температуры, контроллер, блок питания, термоэлектрический модуль с системой теплоотвода и основание, при этом лазерный излучатель, датчик температуры и термоэлектрический модуль расположены на основании для обеспечения между собой теплового контакта, что позволяет передавать данные от датчика температуры контроллеру для анализа текущей температуры и выдачи управляющих сигналов на блок питания, который, в свою очередь, управляет работой термоэлектрического модуля.

Выполнение первого блока управления в виде управляемого генератора тока позволяет управлять работой лазерного излучателя посредством сигналов, поступающих с контроллера, а также при наличии регулятора изменения мощности излучения, соединенного со вторым входом первого блока управления, позволяет, при необходимости, оперативно производить изменение мощности излучения на выходе инфракрасного прожектора в зависимости от условий наблюдения объектов.

Установка лазерного излучателя вблизи фокальной плоскости объектива позволяет согласовать угловую расходимость светового пучка лазерного излучения в вертикальном и горизонтальном направлениях, создать равномерную освещенность по всему сечению светового пучка с крутыми границами фронта по контуру, что обеспечивает стабильность выходных параметров.

Введение отклоняющей системы, расположенной на выходе объектива и состоящей из зеркала, ось вращения которого кинематически связана с датчиком положения, выход которого соединен с первым входом второго блока управления, выход которого соединен с поворотным механизмом, кинематически связанного с осью вращения зеркала, которое оптически связано с объективом, позволяет изменять направление распространения светового пучка лазерного излучения и производить слежение за наблюдаемым при подсветке объектом.

Введение индикатора готовности позволяет оценить состояние готовности инфракрасного прожектора к работе при включении режима термостабилизации и режима включения лазерного излучателя.

На фиг.1 приведена блок-схема инфракрасного прожектора, на фиг.2 - функциональная схема второго блока управления.

Инфракрасный прожектор (см. фиг.1) содержит оптически связанные лазерный излучатель 1, объектив 2, отклоняющую систему, состоящую из зеркала 3 с осью вращения, датчика положения 4, второго блока управления 5 и поворотного механизма 6, первый блок управления 7, выход которого соединен с лазерным излучателем 1, и систему термостабилизации, содержащую датчик температуры 8, контроллер 9, блок питания 10, термоэлектрический модуль 11 с системой теплоотвода 12 и основание 13, и индикатор готовности 14. Ось вращения зеркала 3 кинематически связана с датчиком положения 4, выход которого соединен с первым входом второго блока управления 5, выход которого соединен с поворотным механизмом 6, который кинематически связан с осью вращения зеркала 3.

Лазерный излучатель 1, датчик температуры 8 и термоэлектрический модуль 11 расположены на основании 13 для обеспечения между собой теплового контакта, выход датчика температуры 8 соединен с входом контроллера 9, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым входом первого блока управления 7, с входом блока питания 10 и с входом индикатора готовности 14, выход блока питания 10 соединен с входом термоэлектрического модуля 11. Для изменения мощности излучения инфракрасный прожектор может быть дополнен регулятором 15 изменения мощности излучения, который соединен со вторым входом первого блока управления 7. Для включения системы термостабилизации и отклоняющей системы контроллер 9 и второй блок управления 5 имеют вторые входы для подключения к первому выключателю 16. Для включения лазерного излучателя 1 и поворотного механизма 6 контроллер 9 и второй блок управления 5 имеют третьи входы для подключения ко второму выключателю 17.

В данной конструкции применен термоэлектрический модуль марки ТМ-71-1.0-3.0, который предназначен для охлаждения или нагревания лазерного излучателя и представляет собой электронное устройство, основанное на использовании эффекта Пельтье. При подаче управляющего напряжения на выводы термоэлектрического модуля происходит перенос тепловой энергии с одной поверхности на другую, создавая при этом на его поверхностях градиент температуры. Излишки тепловой энергии передаются термоэлектрическим модулем 11 через общую поверхность на систему теплоотвода 12.

Система теплоотвода 12 предназначена для отвода тепла в окружающую среду и представляет собой радиатор, выполненный в виде корпуса, который может быть дополнен тепловой трубой с высоким коэффициентом теплопроводности [2].

В качестве датчика температуры 8 использован цифровой 10-битный температурный сенсор-микросхема AD7814ART, который предназначен для постоянного контроля текущей температуры лазерного излучателя 1.

Основание 13 выполнено из меди для обеспечения между лазерным излучателем 1, датчиком температуры 8 и термоэлектрическим модулем 11 минимального температурного сопротивления, что обеспечивает эффективный отвод и передачу тепловой энергии.

В качестве лазерного излучателя 1 применен диод лазерный типа ММ-2000-200-810-СМТ, представляющий собой кристалл с активной областью и с излучающим зеркалом. Лазерный излучатель 1 расположен вблизи фокальной плоскости объектива 2.

Контроллер 9 предназначен для анализа температуры лазерного излучателя 1, включения/выключения инфракрасного прожектора в зависимости от состояния готовности, выдачи управляющих сигналов на первый блок управления 7, блок питания 10, индикатор готовности 14 и выполнен в виде платы с использованием микроконтроллера AT90S2333-8AI, программа которого находится в электрически перепрограммируемом постоянном запоминающем устройстве. Используемый тип памяти запоминающего устройства позволяет в дальнейшем корректировать алгоритм работы инфракрасного прожектора.

Первый блок управления 7 предназначен для включения и задания рабочего тока лазерного излучателя 1, в качестве которого используется управляемый генератор тока с плавным возбуждением [3], позволяющий исключить коммутационные выбросы, и реализован на базе модуля питания МПВ25А (производитель ЗАО «ММП-ИРБИС»).

Блок питания 10 предназначен для выработки питающего напряжения термоэлектрического модуля 11, при котором температура лазерного излучателя находится в заданном рабочем температурном диапазоне, и выполнен в виде печатной платы, включающей в себя комплексный источник питания, реализованный на базе модуля питания МПВ60Д (производитель ЗАО «ММП-ИРБИС»).

Второй блок управления 5 предназначен для согласования уровней сигналов, поступивших с внешнего устройства и с датчика положения 4, для последующего управления зеркалом 3 через поворотный механизм 6. Второй блок управления 5 (см. фиг.2) состоит из источника питания вторичных напряжений 18, электрически связанного с последовательно расположенными и электрически связанными между собой сумматором 19, фазочувствительным выпрямителем 20, усилительно-корректирующим устройством 21, усилителем постоянного тока 22.

Источник питания вторичного напряжений 18 выполнен на базе микросборок типа LC015C91, LC015A91, JFC100C1 фирмы TYCO, обеспечивает прием входящих сигналов с первого и второго выключателей 16, 17 и питает все электронные схемы второго блока управления 5.

Сумматор 19 вырабатывает сигнал рассогласования между датчиком положения 4 и внешним устройством.

Фазочувствительный выпрямитель 20 преобразовывает сигнал переменного напряжения в сигнал постоянного напряжения.

Усилительно-корректирующее устройство 21 реализует нелинейный закон управления зеркалом 3 через поворотный механизм 6 [4].

Усилитель постоянного тока 22 преобразовывает сигнал с усилительно-корректирующего устройства 21 в сигнал управления поворотным механизмом 6.

Конструктивно зеркало 3 с осью вращения, поворотный механизм 6 и датчик положения 4 установлены в едином корпусе. Поворотный механизм 6 предназначен для управления местоположением зеркала 3 по углу и представляет собой моментный электродвигатель типа 2ДБМ70-0.16-3-3 ИЖБК.521473.004-02 ТУ, ротор которого закреплен на оси вращения зеркала 3, а статор электродвигателя закреплен в корпусе.

Датчик положения 4 предназначен для отслеживания местоположения зеркала 3 по углу, в качестве которого применен серийно выпускаемый датчик типа трансформатор вращающийся 2.5ВТ 0.05/0.2 ЛШЗ.010.394, ЛШ0.301.014 ТУ. Для компенсации удвоения угла отраженного светового пучка лазерного излучения при повороте зеркала 3 датчик положения 4 соединен с осью вращения зеркала 3, установленной в подшипниках качения, посредством ленточной передачи через шкив, причем ленточная передача выполнена с передаточным отношением 1:2.

Индикатор готовности 14 предназначен для отображения текущего состояния инфракрасного прожектора, в качестве которого используется индикатор знакосинтезирующий единичный марки 3Л336Б АЕЯР.432220.067.

Регулятор 15 предназначен для изменения мощности излучения лазерного излучателя, в качестве которого может быть применен многопозиционный переключатель типа ПГ39-11 АГО.360.033ТУ.

Работает инфракрасный прожектор следующим образом.

При включении первого выключателя 16 происходят подготовка, установка и постоянный контроль заданного температурного режима лазерного излучателя 1. Контроль температуры осуществляется датчиком температуры 8 с выдачей сигнала контроллеру 9, в котором происходит анализ полученных данных. При значении температуры, отличной от заданной, контроллер 9 выдает сигнал на блок питания 10 для включения термоэлектрического модуля 11, который охлаждает либо нагревает лазерный излучатель, а также запрещает прохождение сигнала включения лазерного излучателя 1. При достижении рабочей температуры контроллер 9 выдает сигнал на включение индикатора готовности 14, что соответствует режиму готовности инфракрасного прожектора к работе. Одновременно при включении первого выключателя 16 питающее напряжение подается на первый вход источника питания вторичных напряжений 18 второго блока управления 5 для включения электронных блоков отклоняющей системы.

При включении второго выключателя 17 и наличии сигнала готовности контроллер 9 подает запускающий сигнал на первый блок управления 7, который начинает генерировать ток питания лазерного излучателя 1, значение которого определяется состоянием регулятора 15, влияющего на мощность излучения. Также при включении второго выключателя 17 поступает сигнал на второй вход источника питания вторичных напряжений 18 второго блока управления 5 для активизации работы поворотного механизма 6 с датчиком положения 4 для последующего управления и слежения за зеркалом 3.

Лазерный излучатель 1 генерирует лазерное излучение, которое попадает в объектив 2 для формирования светового пучка прямоугольной формы с требуемой угловой рассходимостью в горизонтальном и в вертикальном направлениях.

Сформированный световой пучок лазерного излучения, отражаясь от зеркала 3, выходит в пространство. Для изменения направления светового пучка используется сигнал управления с внешнего устройства, который одновременно с сигналом с датчика положения 4 поступает на сумматор 19 второго блока управления 5, в котором происходит сравнение этих сигналов. При отличии амплитудных значений этих сигналов вырабатывается сигнал рассогласования, который передается на фазочувствительный выпрямитель 20 для преобразования в сигнал постоянного напряжения и последующего усиления и коррекции в усилительно-корректирующем устройстве 21, усилитель постоянного тока 22 преобразовывает сигнал управления по напряжению в сигнал управления по току, который управляет положением зеркала 3 через поворотный механизм 6 до согласования уровней сигналов на сумматоре 19.

В процессе работы происходит постоянный контроль температурного режима лазерного излучателя 1, который при работе выделяет большое количество тепловой энергии, которую необходимо отвести во избежание его перегрева. Излишки тепловой энергии передаются на основание 13, далее термоэлектрический модуль 11 переносит тепловую энергию на систему теплоотвода 12, где происходит сброс излишка тепловой энергии в окружающую среду. В случае, когда необходимо произвести нагрев лазерного излучателя 1, контроллер 9 выдает сигнал на включение термоэлектрического модуля обратной полярностью, который нагревает основание 13 с находящимся на нем лазерным излучателем 1.

Предложенное техническое решение позволяет создать инфракрасный прожектор для подсветки с равномерной освещенностью по всему сечению светового пучка с крутыми границами фронта по контуру, которое было проверено и в настоящее время реализовано.

Источники информации

1. Патент RU 2061194, МПК F21L 5/00. Лазерный осветитель. - Опубл. 27.05.1996, бюл. №15 - прототип.

2. Дульнев Г.Н. Тепломассообмен в радиоэлектронной аппаратуре: Учебник для вузов по спец. «Конструирование и производство радиоаппаратуры». - М.: Высшая школа, 1984 г., стр.146.

3. Шило В.Л. «Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре». - 2-е изд., 1979 г., стр.167-169.

4. А.с. СССР №1640668, МПК G05B 11/01. Электромеханический следящий привод постоянного тока. - Опубл. 07.04.1991, бюл. №13.

Инфракрасный прожектор содержит оптически связанные лазерный излучатель и объектив, первый блок управления, выход которого соединен с лазерным излучателем. Также он дополнительно содержит отклоняющую систему, расположенную на выходе объектива и состоящую из зеркала с осью вращения, датчика положения, поворотного механизма и второго блока управления. При этом ось вращения зеркала кинематически связана с датчиком положения, выход которого соединен с первым входом второго блока управления, выход которого соединен с поворотным механизмом, который кинематически связан с осью вращения зеркала, оптически связанного с объективом, и систему термостабилизации, содержащую датчик температуры, контроллер, блок питания, термоэлектрический модуль с системой теплоотвода и основание. Лазерный излучатель, датчик температуры и термоэлектрический модуль расположены на основании для обеспечения между собой теплового контакта. Выход датчика температуры соединен с входом контроллера, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с входом первого блока управления, с входом блока питания и с входом индикатора готовности. Выход блока питания соединен с входом термоэлектрического модуля, причем первый блок управления выполнен в виде управляемого генератора тока, а лазерный излучатель установлен вблизи фокальной плоскости объектива. Кроме того, инфракрасный прожектор дополнительно содержит регулятор изменения мощности излучения, который соединен со вторым входом первого блока управления. Технический результат - расширение функциональных возможностей, повышение стабильности выходных параметров лазерного излучения и увеличение срока эксплуатации. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Инфракрасный прожектор, содержащий оптически связанные лазерный излучатель и объектив, первый блок управления, выход которого соединен с лазерным излучателем, отличающийся тем, что дополнительно содержит отклоняющую систему, расположенную на выходе объектива и состоящую из зеркала с осью вращения, датчика положения, поворотного механизма и второго блока управления, при этом ось вращения зеркала кинематически связана с датчиком положения, выход которого соединен с первым входом второго блока управления, выход которого соединен с поворотным механизмом, который кинематически связан с осью вращения зеркала, оптически связанного с объективом, и систему термостабилизации, содержащую датчик температуры, контроллер, блок питания, термоэлектрический модуль с системой теплоотвода и основание, при этом лазерный излучатель, датчик температуры и термоэлектрический модуль расположены на основании для обеспечения между собой теплового контакта, выход датчика температуры соединен с входом контроллера, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с входом первого блока управления, с входом блока питания и с входом индикатора готовности, выход блока питания соединен с входом термоэлектрического модуля, причем первый блок управления выполнен в виде управляемого генератора тока, а лазерный излучатель установлен вблизи фокальной плоскости объектива.2. Инфракрасный прожектор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит регулятор изменения мощности излучения, который соединен со вторым входом первого блока управления.