ЛАЗЕРНЫЙ ДАЛЬНОМЕР Российский патент 2014 года по МПК G01C3/08 G01S17/08 G02B3/06 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии.

Известен лазерный дальномер [1], содержащий приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив излучателя и лазерный излучатель, эквивалентное тело свечения которого расположено в фокальной плоскости объектива излучателя.

Недостаток такой конструкции - невозможность обеспечить в малых габаритах малую выходную расходимость выходного излучения и, одновременно, апертурный угол объектива, достаточный для сбора всего светового пучка с выхода излучателя.

Наиболее близким по технической сущности является лазерный дальномер, описанный в [2]. Указанный лазерный дальномер содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив излучателя и лазерный излучатель, эквивалентное тело свечения которого расположено в фокальной плоскости объектива излучателя, а объектив излучателя состоит из первого цилиндрического компонента с фокусным расстоянием f₁, с образующей цилиндра, перпендикулярной минимальному габариту В тела свечения, и второго цилиндрического компонента с фокусным расстоянием f₂, с образующей цилиндра, перпендикулярной максимальному габариту А тела свечения, которые удалены от эквивалентного тела свечения излучателя на расстояния l₁ для первого цилиндрического компонента и l₂ для второго цилиндрического компонента, причем, l₁=f₁<В/β для первого цилиндрического компонента и l₂=f₂<A/α для второго цилиндрического компонента, где α и β - угловые размеры удаленного объекта, соответствующие по ориентации габаритам А и В эквивалентного тела свечения излучателя.

Обычно минимальный габарит тела свечения В составляет несколько микрон, поэтому фокусное расстояние первого цилиндрического компонента невелико. Например, при B=10 мкм и β=1 мрад, фокусное расстояние f₁=10 мм. Максимальный габарит тела свечения а мощных лазеров может достигать А=200 и более микрон, тогда при таких же требованиях к расходимости выходного излучения фокусное расстояние второго цилиндрического компонента составит 200 мм, что может усложнить компоновку портативных лазерных дальномеров даже при многократном сложении оптической оси, как предлагается в [2]. При использовании же лазеров с меньшим габаритом а уменьшается мощность зондирующего излучения, а следовательно, и дальность действия лазерного дальномера.

Задачей изобретения является сокращение размеров оптической системы излучателя без уменьшения мощности выходного излучения и увеличения массы дальномера.

Указанная задача решается за счет того, что в известном лазерном дальномере, содержащем приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив излучателя и лазерный излучатель, эквивалентное тело свечения которого габаритами А×В расположено в фокальной плоскости объектива излучателя, а объектив излучателя состоит из первого цилиндрического компонента с фокусным расстоянием f₁>В/β, образующая цилиндра которого перпендикулярна минимальному габариту В тела свечения, и второго цилиндрического компонента с фокусным расстоянием f₂, образующая цилиндра которого перпендикулярна максимальному габариту А тела свечения, расстояния от цилиндрических компонентов до эквивалентного тела свечения излучателя равны l₁ для первого цилиндрического компонента и l₂ для второго цилиндрического компонента, первый цилиндрический компонент имеет второй цилиндрический профиль, перпендикулярный его первому цилиндрическому профилю и обеспечивающий фокусное расстояние , причем расстояние l₁=f₁-Δf, расстояние l₂≤L, фокусные расстояния и , где , l₃=(l₂-l₁), L - максимально допустимый габарит объектива излучателя вдоль его продольной оси, α и β - угловые размеры удаленного объекта, соответствующие по ориентации максимальному А и минимальному В габаритам эквивалентного тела свечения излучателя, Δf - расстояние между главными плоскостями первого и второго цилиндрических профилей первого цилиндрического компонента.

На чертеже фиг.1 представлена блок-схема лазерного дальномера. Фиг.2а и 2б служат для пояснения вида эффективного тела свечения и апертурного угла θ_β(θ_α) соответственно у твердотельного лазерного излучателя с линзой и полупроводникового лазера. Фиг 2в иллюстрирует связь между габаритом В(А) тела свечения, фокусным расстоянием f₁(f₂) компонента объектива и углом β(α) расходимости выходного излучения. На фиг.3а) показано взаимное положение эквивалентного тела свечения и компонентов объектива излучателя. На фиг.3б) изображены вид и габариты двухполоскового тела свечения полупроводникового лазера с двумя излучающими переходами. На фиг.4 представлены сечения передающего устройства вдоль оси излучения в двух перпендикулярных плоскостях.

Лазерный дальномер (фиг.1) содержит передающее устройство, состоящее из лазерного излучателя 1, сопряженного с объективом 2 излучателя, и приемное устройство, состоящее из приемника 3, сопряженного с объективом 4 приемника. Лазерный дальномер сориентирован так, чтобы оси приемного и передающего устройств были направлены в сторону удаленного объекта. Если лазер 5 формирует квазипараллельный пучок излучения, то введением в состав лазерного излучателя линзы 6 можно создать эквивалентное тело свечения 7, расположенное на конечном расстоянии от объектива излучателя (фиг.2а). Тело свечения 7 полупроводникового лазера 5 совпадает с его выходной гранью (фиг.2б). Отрезок l₁ между телом свечения и первым цилиндрическим компонентом 8 этого объектива равен фокусному расстоянию f₁ этого компонента с учетом промежутка Δf между главными плоскостями первой и второй цилиндрических поверхностей первого цилиндрического компонента (фиг.2в, 4а). Второй цилиндрический компонент 9 расположен перпендикулярно первому цилиндрическому компоненту 8 и удален от тела свечения 7 на расстояние l₂, равное заданному конструктивному габариту L (фиг.4б).

Устройство работает следующим образом.

При срабатывании лазерного излучателя 1 на его выходе образуется тело свечения 7, испускающее расходящийся пучок лазерного излучения. Первый цилиндрический компонент 8 перехватывает этот пучок излучения в вертикальной плоскости в апертурном угле θ_β и коллимирует его в выходной пучок с угловой расходимостью в вертикальной плоскости β=B/f₁, где В - вертикальный габарит тела свечения 7. Второй цилиндрический компонент 9 работает в горизонтальном апертурном угле и, не влияя на расходимость в вертикальной плоскости, формирует в горизонтальной плоскости выходной пучок с угловой расходимостью , где А - горизонтальный габарит тела свечения 7; - эквивалентное фокусное расстояние системы компонентов 8 и 9 в горизонтальной плоскости. Фокусное расстояние f₂ компонента 9 выбрано таким образом, чтобы соблюдалось условие , а фокусное расстояние компонента 8 в горизонтальной плоскости соответствует условию . Данные условия следуют из соотношений, имеющих место для двухлинзовой системы [3]. Расстояние l₂ должно соответствовать условию l₂≤L, где L - максимально допустимый габарит оптической системы излучателя. Отраженное удаленным объектом излучение с помощью объектива 4 приемника 3 фокусируется на чувствительную площадку приемника.

Преимущество предлагаемого дальномера по сравнению с прототипом поясняется примером расчета габаритов системы.

Пример. В=0,02 мм; А=0,2 мм; α=β=10^-3 рад; L=100 мм.

Из условия l₂≤L выбрано значение l₂=100 мм.

l₁~f₁=В/β=0,02/10^-3=20 мм.

.

l₃=l₂-l₁=80 мм.

.

.

При указанных параметрах габарит L предлагаемой оптической системы L=100 мм, что вдвое меньше, чем у известного решения [2], требующего .

Таким образом, при сохранении других положительных конструктивных особенностей прототипа, перечисленных в [2], предлагаемое изобретение позволяет существенно сократить размеры оптической системы излучателя без уменьшения мощности выходного излучения и увеличения массы дальномера.

Источники информации

1. Патент США №6903811.

2. Патент РФ №2341771 - прототип.

3. Сакин И.Л. Инженерная оптика. Изд. «Машиностроение», Л., 1976 г.

Изобретение относится к лазерной технике к аппаратуре лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив излучателя и лазерный излучатель, эквивалентное тело свечения которого габаритами А×В расположено в фокальной плоскости объектива излучателя. Объектив излучателя состоит из первого цилиндрического компонента с фокусным расстоянием f₁≥В/β, образующая цилиндра которого перпендикулярна минимальному габариту В тела свечения, и второго цилиндрического компонента с фокусным расстоянием f₂, образующая цилиндра которого перпендикулярна максимальному габариту А тела свечения. Расстояния от цилиндрических компонентов до эквивалентного тела свечения равны l₁ для первого цилиндрического компонента и l₂ для второго. Первый цилиндрический компонент имеет второй цилиндрический профиль, перпендикулярный его первому цилиндрическому профилю и обеспечивающий фокусное расстояние $$f_1^{*}$$ , причем расстояние l₁=f₁-Δf, расстояние l₂≤L, фокусные расстояния $$f_2\le \frac{f_2^{\text{'}}{l}_3}{f_2^{\text{'}}-l_1}$$ и $$f_1^{*}\le -\frac{f_2^{\text{'}}(f_2-l_3)}{f_2^{\text{'}}-f_2}$$ , где $$f_2^{\text{'}}\ge A/\alpha$$ , l₃=(l₂-l₁), L - максимально допустимый габарит объектива излучателя вдоль его продольной оси, α и β - угловые размеры удаленного объекта, соответствующие максимальному А и минимальному В габаритам эквивалентного тела свечения, Δf - расстояние между главными плоскостями первого и второго цилиндрических профилей первого цилиндрического компонента. Технический результат заключается в обеспечении возможности сокращения размеров оптической системы излучателя без уменьшения мощности выходного излучения и без увеличения массы дальномера. 4 ил.

Лазерный дальномер, содержащий приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив излучателя и лазерный излучатель, эквивалентное тело свечения которого габаритами А×В расположено в фокальной плоскости объектива излучателя, а объектив излучателя состоит из первого цилиндрического компонента с фокусным расстоянием f₁≥В/β, образующая цилиндра которого перпендикулярна минимальному габариту В тела свечения, и второго цилиндрического компонента с фокусным расстоянием f₂, образующая цилиндра которого перпендикулярна максимальному габариту А тела свечения, расстояния от цилиндрических компонентов до эквивалентного тела свечения излучателя равны l₁ для первого цилиндрического компонента и l₂ для второго цилиндрического компонента, отличающийся тем, что первый цилиндрический компонент имеет второй цилиндрический профиль, перпендикулярный его первому цилиндрическому профилю и обеспечивающий фокусное расстояние , причем расстояние l₁=f₁-Δf, расстояние l₂≤L, фокусные расстояния и , где , l₃=(l₂-l₁), L - максимально допустимый габарит объектива излучателя вдоль его продольной оси, α и β - угловые размеры удаленного объекта, соответствующие по ориентации максимальному А и минимальному В габаритам эквивалентного тела свечения излучателя, Δf - расстояние между главными плоскостями первого и второго цилиндрических профилей первого цилиндрического компонента.