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

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 к предлагаемому устройству 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, образующая цилиндра которого перпендикулярна минимальному габариту В тела свечения лазерного излучателя и параллельна его максимальному габариту А, 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.

Недостаток такого технического решения - относительно высокая трудоемкость изготовления цилиндрических компонентов, особенно если их оптические поверхности имеют полиномиальную образующую, в чем возникает необходимость при больших апертурных углах и высоких требованиях к расходимости выходного изучения дальномера.

Задачей изобретения является снижение трудоемкости изготовления оптической системы излучателя лазерного дальномера при сохранении ее малых габаритов, малой расходимости выходного излучения и максимальных апертурных углов оптической системы, обеспечивающих полный сбор энергии излучения с выхода лазерного излучателя.

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 с габаритами АхВ расположено в фокальной плоскости объектива излучателя, а объектив излучателя состоит из первого оптического компонента - цилиндрической линзы с фокусным расстоянием f₁ и образующей цилиндра перпендикулярной минимальному габариту В тела свечения лазерного излучателя и параллельной его максимальному габариту А, и второго оптического компонента, второй оптический компонент оптически симметричен относительно оптической оси объектива излучателя и имеет фокусное расстояние f₂≥А/α, где α - угловой размер удаленного объекта, соответствующий по ориентации максимальному габариту А тела свечения, а параметры оптических компонентов удовлетворяют условиям

$$f_1=\frac{l_1{\phi }_2}{\phi -{\phi }_2}$$ ; $$В/\beta \le f\le f_2\frac{\left({\theta }_{\alpha }/2\right)}{tg\left({\theta }_{\beta }/2\right)},$$

где f - фокусное расстояние системы из первого и второго компонентов в плоскости, перпендикулярной к образующей цилиндра первого компонента;

ϕ₂=1/f₂; ϕ=1/f; l₁=f₂-l;

l - расстояние между оптическими компонентами;

θ_α - угол расходимости излучения лазерного излучателя в плоскости его габарита А;

θ_β - угол расходимости излучения лазерного излучателя в плоскости его габарита В,

причем величина l₁ не превышает значения, при котором астигматизм системы As удовлетворяет требованиям допуска, а второй оптический компонент имеет возможность регулировки расстояния l₂=f₂+Δf₂ для изменения углов расходимости выходного излучения системы.

На 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 габаритами В и А тела свечения с фокусными расстояниями f и f₂ и углами β и 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. На фиг 5 показаны зависимости фокусного расстояния f₁ и астигматизма As от расстояния между оптическими компонентами l.

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). Перед телом свечения размещен первый оптический компонент 8, представляющий собой цилиндрическую линзу (фиг.2в, 4а). Второй оптический компонент 9, представляющий собой сферическую линзу, удален от тела свечения 7 на расстояние l₂, примерно равное его фокусному расстоянию f₂ (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, не влияя на расходимость пучка лазерного излучения в горизонтальной плоскости, перехватывает этот пучок излучения в вертикальной плоскости в апертурном угле θ_β и направляет его в сторону оптического компонента 9, совместно с ним формируя выходной пучок с угловой расходимостью в вертикальной плоскости β=B/f, где В - вертикальный габарит тела свечения 7, a f - эквивалентное фокусное расстояние системы из первого и второго оптических элементов (Н - главная плоскость этой системы). Второй оптический компонент 9 работает также в горизонтальном апертурном угле θ_α и формирует в горизонтальной плоскости выходной пучок с угловой расходимостью α=A/f₂, где А - горизонтальный габарит тела свечения 7.

В описанной конфигурации первый и второй оптические компоненты объектива в общем случае создают астигматизм. Предлагаемые ограничения на соотношение параметров элементов объектива позволяют уменьшить его до приемлемого уровня, обеспечивая при этом выполнение решаемой задачи.

Основная функция объектива излучателя - сформировать выходной пучок зондирующего излучения с угловой расходимостью αхβ. Это требование выполняется при соблюдении условий, которые следуют из расчетных соотношений для двухлинзовой системы фиг.4а [3, стр.35-36] и требований к ее астигматизму As и углам α и β расходимости выходного излучения.

$$f_2\sim l_2\ge А/\alpha ;(1)$$

$$f_1=\frac{l_1{\phi }_2}{\phi -{\phi }_2};(2)$$

$$Аs=f_2+\Delta f-\Delta l-b-\Delta Н;(3)$$

$$f\ge В/\beta ,(4)$$

где

f - фокусное расстояние системы из первого и второго компонентов в плоскости, перпендикулярной к образующей цилиндра первого компонента;

ϕ₂=1/f₂; ϕ=1/f; l₁=f₂-l;

l - расстояние между оптическими компонентами;

As - астигматизм объектива излучателя;

Δf - удлинение фокального отрезка объектива за счет толщины первого компонента в плоскости, параллельной образующей цилиндра;

$$b=f(1-l{\phi }_2).(5)$$

ΔН - удлинение фокального отрезка объектива за счет расстояния между главными плоскостями первого компонента в плоскости, перпендикулярной образующей цилиндра.

Вторая важнейшая функция объектива излучателя - собрать излучаемый телом свечения лазера пучок в апертурных углах, соответствующих углам расходимости излучения. Этому требованию отвечает условие, получаемое из рассмотрения хода лучей в оптической системе фиг.4 [3, стр.21-22, 35-36].

$$f\le f_2\frac{\left({\theta }_{\alpha }/2\right)}{tg\left({\theta }_{\beta }/2\right)}\text{, }(6)$$

где

θ_α - угол расходимости излучения лазера в плоскости его габарита А;

θ_β - угол расходимости излучения лазера в плоскости его габарита В.

Отраженное удаленным объектом излучение с помощью объектива 4 приемника 3 фокусируется на чувствительную площадку приемника. Дальность до объекта R=ct/2,

где t - задержка принятого сигнала, с - скорость света.

Пример

Исходные данные. В=0,01 мм; А=0,1 мм; α=β=10^-3 рад; θ_α=10°; θ_β=20°.

Из условий (1) и (4) следует f₂=100 мм. l₂~f₂=100 мм. f=10 мм.

По конструктивным условиям принято l=99,5 мм.

Тогда по формуле (2) определяется величина фокусного расстояния цилиндрического компонента.

$$f_1=\frac{l_1{\varphi }_2}{\varphi -{\varphi }_2}\sim \mathrm{0,05}\text{ мм}\text{.}$$

Такое расстояние может быть получено, например, при использовании в качестве первого оптического компонента отрезка стекловолокна с круглым сечением.

Фокусное расстояние подобного элемента определяется формулой [3, стр.37]

$$f_1=\frac{n}{n-1}\frac{r}{2(2n-1)},$$

где n - показатель преломления материала стекловолокна;

r - радиус стекловолокна.

Для стекловолокна из оптического стекла К8 с показателем преломления n=1,516 [4] фокусному расстоянию f₁=0,05 мм соответствует волокно диаметром 2r=0,14 мм.

При этом согласно (3) астигматизм As~0,4 мм.

При сборке дальномера углы расходимости излучения α и β можно оптимизировать продольной подвижкой второго оптического компонента с введением поправки Δf₂<<f₂.

Предлагаемое изобретение позволяет существенно упростить изготовление оптических элементов лазерного дальномера за счет применения типовых оптических деталей, тем самым обеспечивая поставленную задачу - снижение трудоемкости изготовления оптической системы излучателя лазерного дальномера при сохранении ее малых габаритов, малой расходимости выходного излучения и максимальных апертурных углов оптической системы, обеспечивающих полный сбор энергии излучения с выхода лазерного излучателя.

Источники информации

1. Патент США №6903811.

2. Патент РФ №2341771 - прототип.

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

4. М.Я.Кругер и др. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Изд. «Машиностроение», Л., 1968 г.

Изобретение относится к 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 состоит из цилиндрического первого оптического компонента с фокусным расстоянием f₁, образующая которого перпендикулярна минимальному габариту В тела свечения, и второго оптического компонента. Второй компонент симметричен относительно оси объектива и имеет фокусное расстояние f₂ ≥ А/α, где α - угловой размер удаленного объекта, соответствующий по ориентации максимальному габариту А тела свечения. Параметры оптических компонентов удовлетворяют условиям $$f_1=\frac{l_1{\varphi }_2}{\varphi -{\varphi }_2}$$ ; $$В/\beta \le f\le f_2\frac{tg\left({\theta }_{\alpha }/2\right)}{tg\left({\theta }_{\beta }/2\right)}$$ , где f - фокусное расстояние системы; β - угловой размер удаленного объекта, соответствующий габариту B, ϕ₂=1/f₂; ϕ=1/f; l₁=f₂-l; l - расстояние между компонентами; θ_α - угол расходимости в плоскости габарита А; θ_β - угол расходимости габарита В. Причем второй оптический компонент имеет возможность регулировки расстояния l₂=f₂+Δf₂ для изменения углов расходимости выходного излучения. Технический результат заключается в упрощении изготовления устройства при сохранении габаритов и КПД. 5 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 цилиндрического первого оптического компонента с фокусным расстоянием f₁, образующая цилиндра которого перпендикулярна минимальному габариту В тела свечения, и второго оптического компонента, отличающийся тем, что второй оптический компонент оптически симметричен относительно оптической оси объектива излучателя и имеет фокусное расстояние f₂ ≥ А/α, где α - угловой размер удаленного объекта, соответствующий по ориентации максимальному габариту А тела свечения, а параметры оптических компонентов удовлетворяют условиям
$$f_1=\frac{l_1{\phi }_2}{\phi -{\phi }_2}$$ ; $$В/\beta \le f\le f_2\frac{tg\left({\theta }_{\alpha }/2\right)}{tg\left({\theta }_{\beta }/2\right)}$$ ,
где f - фокусное расстояние системы из первого и второго компонентов в плоскости, перпендикулярной к образующей цилиндра первого компонента;
ϕ₂=1/f₂; ϕ=1/f; l₁=f₂-l;
l - расстояние между оптическими компонентами;
β - угловой размер удаленного объекта, соответствующий по ориентации габариту B тела свечения излучателя;
θ_α - угол расходимости излучения лазерного излучателя в плоскости его габарита А;
θ_β - угол расходимости излучения лазерного излучателя в плоскости его габарита В,
причем величина l₁ не превышает значения, при котором астигматизм системы As удовлетворяет требованиям допуска, а второй оптический компонент имеет возможность регулировки расстояния l₂=f₂+Δf₂ для изменения углов расходимости выходного излучения системы.