Лазерный дальномер Российский патент 2017 года по МПК G01C3/08 

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 F_экв 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, ΔS_T - технологический допуск на установку лазерного модуля, ΔS_ϕ=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/F_экв=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.

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.

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 F_экв 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 , ΔS_T - технологический допуск на установку лазерного модуля, ΔS_ϕ=Δϕ⋅F.