МНОГОЦЕЛЕВОЙ ЛАЗЕРНЫЙ ПРОЖЕКТОР Российский патент 2015 года по МПК F21S8/00 F21L14/02 

Предлагаемое изобретение относится к специальной светотехнике, в частности к прожекторам на основе полупроводниковых инжекционных лазеров, генерирующих излучение в ближней инфракрасной /ИК/ области спектра, функционирующих в составе активных и активно-пассивных систем ночного видения /СНВ/ и предназначенных для подсветки при поиске, наблюдении удаленных объектов, ведения прицельной стрельбы, ориентации на местности и т.п. в условиях плохой видимости, ночью и в сумерках /1/. Прожекторы работают в импульсном или непрерывном режимах и могут быть использованы также для лазерной локации и оптической связи.

Известен лазерный осветитель /2/, предназначенный для подсветки объектов в составе СНВ, выполняющий также функции дальномера, работающий в импульсном режиме, содержащий лазерный излучатель, оптически сопряженный с объективом, блок управления излучателем и источник питания.

В аналоге не раскрыты возможности лазерного излучателя, однако осветитель не может обеспечить достаточно высокую интенсивность и ширину пучка и возможность изменения спектра излучения при использовании одного излучателя.

Известен инфракрасный прожектор /3/, частично реализованный в изделии ПЛ-1 /1, 4/, содержащий собранные в корпусе с выходным отверстием, перекрытым защитным стеклом, оптически сопряженные полупроводниковый лазерный излучатель и объектив, систему термостабилизации излучателя со средствами теплопередачи на корпус, отклоняющую систему для пучка излучения, установленную на выходе объектива, блоки управления.

Недостатки прототипа связаны с невысокой выходной мощностью лазерного излучателя из-за проблем его охлаждения, что вынуждает для увеличения осевой силы излучения применять формирование очень узкого пучка излучения /0,75-1,5°/, обеспечивающего поиск и обнаружение объектов на увеличенных расстояниях до 1,5 км.

В этом случае при подсветке возникают проблемы поиска объектов на более близких расстояниях, например 300-600 м, в связи с чем в прожекторе используют отклоняющую систему, существенно усложняющую конструкцию, снижающую надежность его эксплуатации.

Целью предлагаемого изобретения является устранение названных недостатков, повышение выходной модности излучения при одновременном улучшении теплофизических параметров прожектора, а также расширение его функциональных возможностей за счет управляемого изменения расходимости пучка и спектрального состава излучения.

Поставленная цель достигается тем, что в многоцелевом лазерном прожекторе, содержащем корпус с выходным отверстием, перекрытым защитным стеклом, с собранными внутри лазерными излучателями на основе полупроводниковых гетероструктур с p-n-переходами, оптическую систему формирования пучка излучения с объективом, установленным на оптической оси прожектора, систему термостабилизации со средствами теплоотвода на корпус и электронную аппаратуру питания и управления, два, три или большее количество лазерных излучателей установлены в корпусе прожектора на удалении друг от друга с оптической связью между собой посредством индивидуальных призм полного внутреннего отражения или индивидуальных зеркал, собранных вблизи фокальной плоскости объектива, создающих сопряженные пучки излучения с параллельными оптическими осями, направленными на объектив, формирующий объединенный лазерный луч прожектора заданной расходимости.

Поставленная цель достигается и тем, что по меньшей мере два лазерных излучателя установлены в корпусе с оптическими осями, ориентированными перпендикулярно оптической оси прожектора и расположенным по ходу лучей входным граням индивидуальных для каждого излучателя поворотных прямоугольных призм полного внутреннего отражения, выходные грани которых максимально приближены между собой в фокальной плоскости объектива, формируя объединенный пучок излучения на объектив.

Достижению цели способствует также то, что по меньшей мере два лазерных излучателя установлены в корпусе с оптическими осями, ориентированными параллельно оптической оси прожектора и перпендикулярно расположенным по ходу лучей входным граням индивидуальных для каждого излучателя призм полного внутреннего отражения типа ромб, выходные грани которых максимально приближены между собой, формируя объединенный пучок излучения на объектив.

Цель достигается и тем, что в корпусе на оптической оси прожектора установлен дополнительный лазерный излучатель с выходным окном оптического резонатора расположенным вблизи фокальной плоскости объектива с возможностью вывода излучения через щель, образованную кромками выходных граней призм полного внутреннего отражения, и формирования объединенного пучка излучения на объектив.

Задача решается и тем, что лазерные излучатели снабжены индивидуальными или групповыми средствами термостабилизации и теплопередачи на корпус, обладающий средствами охлаждения.

Решение задачи обеспечено и тем, что по меньшей мере один лазерный излучатель выполнен в виде полупроводниковой гетероструктуры с узкозонным активным слоем на основе арсенида галлия, сопряженным с широкозонными слоями различного типа проводимости, например nAl_xGa_1-xAs-pGaAs-pAl_xGa_1-xAl, генерирующими излучение в ближней ИК-области спектра, и автономно подключен к электронной аппаратуре питания и управления с возможностью функционирования в импульсном или непрерывном режиме автономно или совместно с другими излучателями.

Цель достигается также тем, что применены лазерные излучатели, выполненные на гетероструктурах с p-n-переходами, генерирующие излучение в двух спектральных интервалах ближней ИК-области спектра при независимом подключении к электронной аппаратуре питания и управления.

Предпочтительные варианты исполнения лазерных прожекторов представлены на чертежах.

Фиг.1а, б. Многоцелевой лазерный прожектор с двумя лазерными излучателями и прямоугольными призмами полного внутреннего отражения /ПВО/. Здесь: а/ вид спереди, б/ вид сбоку /частично в разрезе/.

Фиг.2а, б. Оптическая схема прожектора, показанного на фиг.1. Здесь: а/ вид сбоку, б/ вид сверху.

Фиг.3. Оптическая схема прожектора с двумя призмами ПВО типа ромб и тремя лазерными излучателями с параллельными оптическими осями.

Показанный на фиг.1а, б прожектор выполнен в герметичном корпусе 1 из теплопроводного алюминиевого сплава с выходным отверстием, перекрытым защитным стеклом 2 и задней крышкой 3.

В корпусе собраны два лазерных излучателя 4, установленных на удалении друг от друга /на верхней и нижней стенках корпуса/, с оптической связью между собой и объективом 5 посредством индивидуальных призм 6 и 7 полного внутреннего отражения, образующих преломляющий излучение оптический блок, собранный в оправке 8 на кронштейнах на продольной /оптической/ оси ZZ прожектора.

Создающие сопряженные пучки излучения на оси ZZ прожектора призмы 6 и 7, собранные вблизи фокальной плоскости объектива 5, формируют совместно единый лазерным луч прожектора заданной расходимости /показано пунктиром/.

Направляемые на входные грани призм ПВО 6 и 7 пучки излучения для снижения потерь могут быть сформированы в более узкие пучки с применением коллимирующих насадок на лазерные излучатели /на фиг. не показаны/.

Смешение излучения лазерных излучателей 4 с формированием объединенного пучка показано пунктирными стрелками на фиг.2а, б в двух плоскостях, а также на фиг.3.

Подобное формирование пучков излучения за счет использования оптической связи излучателей может быть достигнуто также с применением зеркал /на фиг. не показано/.

В первом варианте исполнения прожектора использованы индивидуальные для каждого из двух лазерных излучателей 4 поворотные прямоугольные 6 и 7 ПВО с зеркализованными отражательными гранями 9, собранные в оправке 8 оптического блока таким образом, что оптические оси выходящих пучков лазерных излучателей 4 максимально приближены между собой и ориентированы параллельно оптической оси ZZ прожектора /см. фиг.1а и 2б/ вблизи фокальной плоскости объектива 5, обеспечивая формирование объединенного пучка излучения на объектив в угле рассеяния, близком или несколько большем угла рассеяния каждого излучателя /~30°/ в вертикальной плоскости и не превышающем двойной угол рассеяния в горизонтальной плоскости.

Второй вариант исполнения прожектора /см. фиг.3/ предусматривает использование трех лазерных излучателей 10, 11 и 12, установленных в корпусе с оптическими осями, параллельными оптической оси ZZ прожектора, для двух из которых /10 и 12/ оптические оси перпендикулярны расположенным по ходу лучей входным граням индивидуальных для указанных излучателей призм полного внутреннего отражения типа ромб 13 и 14 соответственно. Выходные грани этих призм максимально приближены между собой /также как и для прожектора, показанного на фиг.2б/ или образуют щель между кромками выходных граней указанных призм для вывода пучка излучения при размещении на оптической оси прожектора дополнительного лазерного излучателя 11 с выходным окном оптического резонатора, располагаемым вблизи фокальной плоскости объектива 15, с возможностью формирования совместно с излучателями 10 и 12 объединенного пучка излучения на указанный объектив /показано пунктирными стрелками на фиг.3/.

Лазерные излучатели 4 и 10-12 прожекторов снабжены индивидуальными средствами термостабилизации и теплопередачи 16 на корпус 1 /см. фиг.1б/, выполненный с возможностью кондуктивно-конвективного охлаждения.

При этом по меньшей мере один или два лазерных излучателя выполнены в виде полупроводниковой гетероструктуры с узкозонным активным слоем на основе арсенида галлия, сопряженным с широкозонными слоями различного типа проводимости, например, на основе nAl_xGa_1-xAs-pGaAs-pAl_xGa_1-xAl, генерирующими излучение в ближней ИК-области спектра, и автономно подключены к электронной аппаратуре 17 питания и управления, собранной в крышке 3 с возможностью одновременного или раздельного функционирования в импульсном или непрерывном режиме.

В вариантах исполнения многоцелевого прожектора могут быть использованы лазерные излучатели с отличающимися гетероструктурами с p-n-переходами, обеспечивающими функционирование его с генерацией излучения в двух спектральных интервалах ближней ИК-области спектра, например на длинах волн λ~0,82-0,84 мкм серии IDL100S-830 или λ~0,96-0,99 мкм серии IDL100S-980 /4/, для исключения возможной демаскировки прожекторов при эксплуатации с автономным подключением к электронной аппаратуре 17 питания и управления.

Таким образом, включение двух лазерных излучателей одновременно позволяет удвоить выходную мощность излучения и одновременно увеличить расходимость пучка излучения прожектора.

Альтернативное независимое включение лазерных излучателей, например 10 и 11, генерирующих пучки излучения в спектральных интервалах с измененным составом излучения прожектора расширяет его функциональные возможности.

Пространственное рассредоточение лазерных излучателей в корпусе прожектора упрощает построение индивидуальной или общей системы термостабилизации, улучшает его теплофизические параметры.

Литература.

1. Басов Ю.Г., Раквиашвили А.Г., Сысун В.В. Специальная светотехника. Минск, ИЦ БГУ, 2008, c. 193-197.

2. Пат. РФ №2061194, кл. F21L 14/02. Опубл. 27.05.96. Бюл. №15. Лазерный осветитель. Медведев А.В. и др.

3. Пат. РФ №2300699, кл. F21S 8/00. Опубл. 10.06.2007. Бюл. №16. Инфракрасный прожектор. Бирюлин В.Е. и др.

4. Волков В. Лазерные полупроводниковые излучатели для приборов ночного видения. Ж. Полупроводниковая светотехника, №1, 2012, с. 48.

Изобретение относится к области светотехники и может быть использовано для эксплуатации в составе систем ночного видения. Техническим результатом является увеличение выходной мощности излучения прожектора, увеличение расходимости пучка, расширение функциональных возможностей за счет изменения спектрального состава излучения, а также улучшение теплофизических параметров. Прожектор содержит, по крайней мере, два лазерных излучателя на основе полупроводниковых гетероструктур с p-n-переходами, оптическую систему формирования объединенного пучка излучения с объективом и блоком из двух призм полного внутреннего отражения ПВО, установленных на оптической оси прожектора, систему термостабилизации со средствами теплоотвода на корпус и электронную аппаратуру питания и управления. Лазерные излучатели (ЛИ) расположены в корпусе прожектора на удалении друг от друга и имеют оптическую связь между собой и объективом посредством индивидуальных для каждого из них ПВО, образующих преломляющий излучение оптический блок, который совместно с объективом обеспечивает формирование объединенного лазерного луча прожектора заданной расходимости. Оптические оси максимально сближены между собой, ориентированы параллельно оптической оси прожектора призмы ПВО и создают сопряженные пучки излучения с параллельными оптическими осями, направленными на объектив. Оптические оси лазерных излучателей могут быть ориентированы перпендикулярно оптической оси прожектора. Лазерные излучатели могут быть выполнены на гетероструктурах с p-n-переходами, генерирующими излучение в двух спектральных интервалах ближней ИК-области спектра, с возможностью автономного подключения к аппаратуре питания и управления. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Многоцелевой лазерный прожектор, содержащий корпус с выходным отверстием, перекрытым защитным стеклом с собранным внутри лазерными излучателями на основе полупроводниковых гетероструктур с p-n-переходами, оптическую систему формирования пучка излучения с объективом, установленным на оптической оси прожектора, систему термостабилизации со средствами теплоотвода на корпус и электронную аппаратуру питания и управления, отличающийся тем, что два, три или большее количество лазерных излучателей установлены в корпусе прожектора на удалении друг от друга с оптической связью между собой посредством индивидуальных призм полного внутреннего отражения или индивидуальных зеркал, собранных вблизи фокальной плоскости объектива, создающих сопряженные пучки излучения с параллельными оптическими осями, направленными на объектив, формирующий объединенный лазерный луч прожектора заданной расходимости.

2. Многоцелевой лазерные прожектор по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере два лазерных излучателя установлены в корпусе с оптическими осями, ориентированными перпендикулярно оптической оси прожектора и расположенным по ходу лучей входным граням индивидуальных для каждого излучателя поворотных прямоугольных призм полного внутреннего отражения, выходные грани которых максимально приближены между собой в фокальное плоскости объектива, формируя объединенный пучок излучения на указанный объектив.

3. Многоцелевой лазерный прожектор по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере два лазерных излучателя установлены в корпусе с оптическими осями, ориентированными параллельно оптической оси прожектора и перпендикулярно расположенным по ходу лучей входным граням индивидуальных для каждого излучателя призм полного внутреннего отражения типа ромб, выходные грани которых максимально приближены между собой, формируя объединенным пучок излучения на объектив.

4. Многоцелевой лазерный прожектор по п.1, отличающийся тем, что в корпусе на оптической оси прожектора установлен дополнительный лазерный излучатель с выходным окном оптического резонатора, расположенным вблизи фокальной плоскости объектива с возможностью вывода излучения через щель, образованную кромками выходных граней призм полного внутреннего отражения, и формирования объединенного пучка излучения на объектив.

5. Многоцелевой лазерный прожектор по п.1 или 2, отличающийся тем, что лазерные излучатели снабжены индивидуальными или групповыми средствами термостабилизации и теплопередачи на корпус прожектора, имеющий возможности охлаждения.

6. Многоцелевой лазерный прожектор по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один лазерный излучатель выполнен в виде полупроводниковой гетероструктуры с узкозонным активным слоем на основе арсенида галлия, сопряженным с широкозонными слоями различного типа проводимости nAl_xGa_1-xAs-pGaAs-pAl_xGa_1-xAl, генерирующими излучение в ближней ИК-области спектра, и автономно подключен к электронной аппаратуре питания и управления с возможностью совместно с другими излучателями или автономного функционирования в импульсном или непрерывном режиме.

7. Многоцелевой лазерный прожектор по п.1, отличающийся тем, что применены лазерные излучатели, выполненные на гетероструктурах с n-p-переходами, генерирующих излучение в двух спектральных интервалах ближней ИК-области спектра с независимый подключением к электронной аппаратуре питания и управления.