Лазерный измеритель дальности с оптическим сумматором Российский патент 2017 года по МПК G01C3/08 

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

Известен лазерный измеритель дальности [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 относительно друг 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 устройство, описанное в [2]. Этот лазерный измеритель дальности с оптическим сумматором зондирующих пучков содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и два излучателя в виде полупроводниковых лазерных диодов, выходные пучки излучения которых поляризованы взаимно перпендикулярно и совмещены с помощью оптического сумматора, оптический сумматор выполнен в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины, излучающие площадки лазерных диодов расположены со стороны одной из ее граней на расстоянии а между ними, связанным с толщиной h двулучепреломляющей пластины соотношением h=a/tgβ, где β - угол преломления необыкновенного луча.

Описанный сумматор характеризуется разной оптической длиной пути лазерного излучения от каждого лазерного диода в силу разных показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, а также вследствие того, что необыкновенный луч проходит по ломаной траектории. В результате фокальные плоскости оптической системы передающего устройства не совпадают, что приводит к искажению диаграммы направленности излучения и ухудшению обнаружительных характеристик дальномера.

Задачей изобретения является улучшение обнаружительных характеристик дальномера.

Указанная задача решается за счет того, что в известном лазерном измерителе дальности с оптическим сумматором, содержащем приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и два излучателя в виде полупроводниковых лазерных диодов, выходные пучки излучения которых поляризованы взаимно перпендикулярно и совмещены с помощью оптического сумматора в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины, причем лазерные диоды установлены со стороны ее грани, противоположной объективу, в плоскости, перпендикулярной оптической оси объектива, двулучепреломляющая пластина наклонена относительно линии, соединяющей излучающие площадки лазерных диодов на угол γ=γ_н+γ_с, удовлетворяющий условию ⎜Х_о(γ)-Х_е(γ)⎜≤ΔХ_макс, где γ_н - номинальное значение угла наклона пластины; γ_с - постоянная поправка; Х_о(γ) и Х_е(γ) - продольное положение фокусов соответственно для обыкновенного и необыкновенного пучка лучей; ΔХ_макс - предельно допустимое расстояние между фокальными плоскостями; Y_o(γ) и Y_e(γ) - поперечное положение фокусов соответственно для обыкновенного и необыкновенного пучка лучей; F - положение фокуса объектива на оси x в отсутствие двулучепреломляющей пластины, причем X_o(γ)=F+Y_o(γ)/tg_γ; X_e(γ)=F+h⋅tgβ/Sin_γ+Y_e(γ)/tg_γ; Y_o(γ)=h_o*Sin(γ-γ_o*); Y_e(γ)=h_e*Sin(γ-(γ_e*+β)); h_o*=h/Cos(γ_o*); h_e*=h/Cos(γ_e*+β); h - толщина двулучепреломляющей пластины; ; ; n_o и n_e - показатель преломления соответственно обыкновенного и необыкновенного луча, а расстояние b между излучающими площадками лазерных диодов соответствует условию; ⎜Y_o(γ)-Y_e(γ)⎜-b=±ΔY_макс/2; ΔY_макс=Δϕ_максF; Δϕ_макс - максимальная ширина диаграммы направленности зондирующего излучения.

На фиг. 1 приведена блок-схема лазерного дальномера. На фиг. 2 - оптическая схема передающего устройства. На фиг. 3 показан ход лучей в передающем устройстве. На фиг. 4 представлен характер относительного продольного смещения фокусов обыкновенного и необыкновенного лучей в зависимости от угла наклона пластины.

Лазерный дальномер (фиг. 1) содержит передающее устройство 1, приемное устройство 2 и блок управления и обработки данных 3. Передающее устройство 1 состоит из двух лазерных излучателей 4 и 5, установленных перед оптическим сумматором 6, за которым установлен объектив 7. Приемное устройство 2 включает последовательно установленные объектив 8 и фотоприемное устройство 9. Входы лазерных излучателей 4, 5 и выход фотоприемного устройства 9 связаны с блоком управления и обработки данных 3.

Передающее устройство (фиг. 2) содержит два излучателя 4 и 5, излучающие площадки которых (р-n переходы лазерных диодов) расположены взаимно перпендикулярно на расстоянии b=ВС. Перед ними могут быть установлены цилиндрические линзы 10 и 11 [2], параллельно направляющие оси пучков лазерного излучения на двулучепреломляющую плоскопараллельную пластину 12, после которой лазерное излучение поступает на объектив 7 передающего устройства 1. Чтобы произошло совмещение пучков лазерного излучения, толщина АВ=h (фиг. 2) двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины 12 должна обеспечивать схождение оптических осей лазерных излучателей в одной точке на выходной грани пластины 12. Из фиг. 2 следует, что при перпендикулярно установленной пластине для этого должно соблюдаться условие

где h - толщина пластины;

а - расстояние между оптическими осями лазерных излучателей;

β - угол преломления необыкновенного луча.

При параллельном размещении излучающих площадок (Фиг. 2б) перед одной из них может быть установлена полуволновая пластинка 13, поворачивающая плоскость поляризации на 90°.

Устройство работает следующим образом.

При поступлении управляющего сигнала от блока управления и обработки данных 3 лазерные излучатели 4 и 5 одновременно излучают лазерные импульсы, причем направления поляризации пучков выходного излучения перпендикулярны. Пучок излучения от лазерного излучателя 4 распространяется в двулучепреломляющей плоскопараллельной пластине 12 в направлении обыкновенного луча. Пучок излучения от лазерного излучателя 5 с ортогональным направлением поляризации распространяется в двулучепреломляющей плоскопараллельной пластине в 12 направлении необыкновенного луча. На выходной грани двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины 12 пучки лазерного излучения совмещаются и через объектив 7 передающего устройства 1 направляются на цель. Отраженное целью излучение через объектив 8 приемного устройства 2 фокусируется на чувствительной площадке фотоприемного устройства 9, на выходе которого формируется электрический импульс, поступающий на блок управления и обработки данных 3, где по задержке между переданным и принятым импульсами определяется дальность до цели.

Из построения Фиг. 3 следует, что для необыкновенного луча координаты фокуса X_e,Y_e определяются выражениями

h_e*=h/Cos(γ*+β) - длина хода необыкновенного луча в пластине;

h - толщина двулучепреломляющей пластины;

- угол преломления необыкновенного луча;

γ - угол наклона двулучепреломляющей пластины;

n_e - показатель преломления пластины для необыкновенного луча.

β - угол отклонения необыкновенного луча;

Для обыкновенного луча соотношение (2) справедливо при β=0 и замене на показатель преломления для обыкновенного луча n_o.

h_o*=h/Cos(γ*) - длина хода обыкновенного луча в пластине;

Соответственно,

Где F - положение фокуса объектива в отсутствие двулучепреломляющей пластины.

Пример.

n_e=1,479; n_o=1,642; h - 1,9 мм; β=6°.

При этих исходных данных по формулам (2)-(5) рассчитаны значения X_o(γ)-Х_е(γ) для углов наклона пластины γ=0…50 град. Результаты приведены на графике Фиг. 4. При этом относительное поперечное смещение фокусов Y_o(γ)-Y_e(γ) изменяется от 0,2 при γ=0 до 0,283 при γ=50°. X_o(γ)-Х_е(γ)=0 при γ=45°. В этом случае расстояние между излучающими площадками лазеров должно быть b=Y_o(45°)-Y_e(45°)=0,284 мм.

Данное техническое решение позволяет полностью совместить фокусы обыкновенного и необыкновенного пучков лучей. Благодаря этому устраняются искажения диаграммы направленности излучения, приводящие к ухудшению обнаружительных характеристик дальномера при измерении дальностей до целей с малыми угловыми габаритами.

Таким образом, обеспечивается решение поставленной задачи - улучшение обнаружительных характеристик 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 аппаратуре лазерной дальнометрии. Лазерный измеритель дальности с оптическим сумматором содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и два излучателя в виде полупроводниковых лазерных диодов, выходные пучки излучения которых поляризованы взаимно перпендикулярно и совмещены с помощью оптического сумматора в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины. Причем лазерные диоды установлены со стороны ее грани, противоположной объективу, в плоскости, перпендикулярной оптической оси объектива, двулучепреломляющая пластина наклонена относительно линии, соединяющей излучающие площадки лазерных диодов на угол γ=γ_н+γ_с, удовлетворяющий условию ⎜X_o(γ)-Х_е(γ)⎜≤ΔХ_макс, где γ_н - номинальное значение угла наклона пластины; γ_с - постоянная поправка; X_o(γ) и X_e(γ) - продольное положение фокусов соответственно для обыкновенного и необыкновенного пучка лучей; ΔХ_макс - предельно допустимое расстояние между фокальными плоскостями; Y_o(γ) и Y_e(γ) - поперечное положение фокусов соответственно для обыкновенного и необыкновенного пучка лучей; F - положение фокуса объектива на оси x в отсутствие двулучепреломляющей пластины, причем X_o(γ)=F+Y_o(γ)/tg_γ; X_e(γ)=F+h⋅tgβ/Sin_γ+Y_e(γ)/tg_γ; Y_o(γ)=h_o*Sin(γ-γ_o*); Y_e(γ)=h_e*Sin(γ-(γ_e*+β)); h_o*=h/Cos(γ_o*); h_e*=h/Cos(γ_e*+β); h - толщина двулучепреломляющей пластины; ; ; n_o и n_e - показатель преломления соответственно обыкновенного и необыкновенного луча, а расстояние b между излучающими площадками лазерных диодов соответствует условию; ⎜Y_o(γ)-Y_e(γ)⎜-b=±ΔY_макс/2; ΔY_макс=Δϕ_максF; Δϕ_макс - максимальная ширина диаграммы направленности зондирующего излучения. Технический результат изобретения - точное совмещение фокусов обыкновенного и необыкновенного пучков лучей. 4 ил.

Лазерный измеритель дальности с оптическим сумматором, содержащий приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и два излучателя в виде полупроводниковых лазерных диодов, выходные пучки излучения которых поляризованы взаимно перпендикулярно и совмещены с помощью оптического сумматора в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины, причем лазерные диоды установлены со стороны ее грани, противоположной объективу, в плоскости, перпендикулярной оптической оси объектива, отличающийся тем, что двулучепреломляющая пластина наклонена относительно линии, соединяющей излучающие площадки лазерных диодов на угол γ=γ_н+γ_с, удовлетворяющий условию ⎜X_o(γ)-X_e(γ)⎜≤ΔХ_макс, где γ_н - номинальное значение угла наклона пластины; γ_с - постоянная поправка; X_o(γ) и X_e(γ) - продольное положение фокусов соответственно для обыкновенного и необыкновенного пучка лучей; ΔХ_макс - предельно допустимое расстояние между фокальными плоскостями; Y_o(γ) и Y_e(γ) - поперечное положение фокусов соответственно для обыкновенного и необыкновенного пучка лучей; F - положение фокуса объектива на оси x в отсутствие двулучепреломляющей пластины, причем X_o(γ)=F+Y_o(γ)/tg_γ; X_e(γ)=F+h⋅tgβ/Sin_γ+Y_e(γ)/tg_γ; Y_o(γ)=h_o*Sin(γ-γ_о*); Y_e(γ)=h_e*Sin(γ-(y_e*+β)); h_o*=h/Cos(γ_o*); h_e*=h/Cos(γ_e*+β); h - толщина двулучепреломляющей пластины; ; ; n_o и n_e - показатель преломления соответственно обыкновенного и необыкновенного луча, а расстояние b между излучающими площадками лазерных диодов соответствует условию ⎜Y_o(γ)-Y_e(γ)⎜-b=±ΔY_макс/2; ΔY_макс=Δϕ_максF; Δϕ_макс - максимальная ширина диаграммы направленности зондирующего излучения.