ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩЕЕ ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2023 года по МПК G01S17/02 G01C3/08 

Заявленное техническое решение относится к области оптико-электронного приборостроения, а именно к оптико-электронным приборам для измерения дальности, и может быть использовано при разработке многоканальных оптических систем.

Огромное значение для оптико-электронных приборов в целом имеют на практике такие факторы, как высокая эксплуатационная надежность и простота устройства оптико-электронного прибора, удобство обращения с ним, малые габариты и вес, а для приборов, предназначенных для измерения дальности, дополнительно к перечисленным следует добавить обеспечение измерений с высокой точностью и повышенной дальностью.

Обобщенная схема работы оптико-электронного прибора включает в себя источник излучения, оптическую систему и приемник излучения. Источник излучения создает информационный лучистый поток, оптическая система формирует этот поток и направляет его на приемник. Приемник излучения фиксирует переданную оптическим излучением информацию и преобразует оптический сигнал в электрический для его регистрации. При этом на каждом этапе процесса преобразования передаваемой через такую систему информации ставится задача максимального исключения внутриприборных засветок (шумов и помех), сопровождающих полезный информационный сигнал.

В приемо-передающих оптических устройствах с совмещенным приемным и передающим каналом проблема борьбы с внутриприборными засветками стоит наиболее остро.

Вопрос борьбы с внутриприборными засветками возник с началом разработки оптико-электронных приборов и сопровождает эти разработки до настоящего времени. Накопленный опыт снижения внутриприборных засветок касается различных случаев применения и конструктивного исполнения данных устройств, что способствует успешному решению все усложняющихся задач, в том числе, связанных с повышением измеряемой дальности.

Известно приемно-передающее оптическое устройство по патенту RU №2348056 С2, МПК G01S 17/02, опубликованное 27.10.2008 (Бюл. №6) по заявке RU №2007115468/28 с приоритетом от 25.04.2007, позволяющее повысить защиту прибора от внутриприборных засветок. Устройство содержит источник излучения, плоское зеркало, обтекатель, экран, приемный объектив, фотоприемное устройство и диафрагму, установленную в задней фокальной плоскости приемного объектива. При этом световой поток от источника излучения, поступая на плоское зеркало, отразившись от него, проходит через обтекатель. Центральная часть светового потока, отраженная от обтекателя в сторону фотоприемного устройства, задерживается экраном, а отраженный от обтекателя луч, проходящий через край экрана, попадает на край диафрагмы, что механически ослабляет уровень внутриприборной засветки.

Данное устройство выбрано за наиболее близкий аналог.

К достоинствам наиболее близкого аналога можно отнести простоту и надежность конструкции, а также небольшие массо-габаритные характеристики.

Однако основным недостатком наиболее близкого аналога является потеря информативности передаваемого полезного сигнала вследствие пассивного (неуправляемого) характера такой системы, поскольку в этом случае одновременно со снижением уровня внутриприборных засветок пропорционально снижается уровень передаваемого полезного сигнала, что в результате уменьшает величину максимально-измеряемой дальности.

Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является снижение уровня внутриприборных засветок без снижения величины передаваемого полезного сигнала.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в повышении величины максимально-измеряемой дальности.

Задача решается, а технический результат достигается за счет того, что приемо-передающее оптическое устройство содержит источник излучения, поворотные зеркала, обтекатель, приемный объектив и фотоприемное устройство.

При этом, в отличие от ближайшего аналога, устройство дополнительно содержит телескопическую систему, обеспечивающую требование по расходимости излучения, и аттенюатор, выполненный из двух параллельных между собой призм, поворачивающих проходящий через них поток излучения на 90°, и двух параллельных между собой электрооптических элементов, на которые в момент излучения подается напряжение, при этом каждая призма состоит из двух склеенных между собой оборачивающих призм и содержит поляризационное покрытие, нанесенное на поверхность склейки, причем оптические оси призм перпендикулярны оптическим осям электрооптических элементов.

Кроме того, в отличие от ближайшего аналога приемопередающее оптическое устройство дополнительно содержит установленный перед аттенюатором второй телескоп с диафрагмой, расположенной в плоскости его промежуточного изображения, а также бленду, на внутренних поверхностях которой расположены канавки треугольного профиля.

Телескопическая система обеспечивает заданные требования по расходимости оптического излучения.

Плоские зеркала служат развороту потока излучения.

Аттенюатор, установленный перед фотоприемным устройством, в закрытом состоянии не пропускает в момент излучения рассеянный световой поток от оптических элементов приемо-передающего устройства (т.е. паразитное излучение), что позволяет обеспечить последующую регистрацию полезного сигнала эхо-импульса без снижения его уровня (величины).

Бленда снижает величину рассеянного светового потока (паразитного излучения) за счет расположенных на ее внутренних поверхностях канавок с треугольным профилем.

Диафрагма, расположенная в плоскости изображения второго телескопа, снижает величину рассеянного светового потока путем срезания внеосевых пучков излучения.

Второй телескоп с диафрагмой формирует заданный диаметр пучка излучения для аттенюатора.

Сущность заявленного решения поясняется иллюстрациями.

На фиг.1 изображена принципиальная оптическая схема устройства, где:

1- источник излучения;

2- зеркало с отверстием;

3- первое плоское поворотное зеркало;

4- первый телескоп;

5- второе плоское поворотное зеркало;

6- головное зеркало;

7- обтекатель;

8- бленда;

9- третье поворотное зеркало;

10- второй телескоп с диафрагмой

11 - аттенюатор;

12- приемный объектив

13- фотоприемное устройство.

На фиг.2 изображена оптическая схема аттенюатора, где:

14- первая призма с поляризационной поверхностью А;

15- первый элемент электрооптический;

16- второй элемент электрооптический;

17- вторая призма с поляризационной поверхностью Б.

Призмы 14 и 17 (фиг.2) состоят из двух склеенных между собой призм АР-90 и БС-0 с нанесенным на поверхность склейки поляризационным покрытием (соответственно на поверхности А и Б).

Электрооптические элементы представляют собой параллелепипеды из кристалла LiNbO₃ и служат для поворота плоскости поляризации под действием высокого постоянного напряжения.

В отличие от ближайшего аналога, заявленная система подавления внутренних засветок является активной, т.е. управляемой. Устройство работает следующим образом:

Излучение от источника 1 (фиг.1) проходит через отверстие зеркала 2, отражается зеркалом 3, проходит через оптические компоненты телескопа 4, отражается поворотным зеркалом 5 и головным зеркалом 6 и проходит через обтекатель 7. Обратный эхо-сигнал проходит через обтекатель 7, отражается головным зеркалом 6 и поворотным зеркалом 5, проходит через оптические компоненты телескопа 4, отражается поворотным зеркалом 3 и зеркалом 2, проходит через бленду 8, отражается зеркалом 9, проходит через телескоп 10 с диафрагмой и поступает на аттенюатор 11, после которого фокусируется объективом 12 на чувствительную площадку фотоприемного устройства 13. При этом часть рабочего светового потока от источника излучения 1 отражается оптическими компонентами 2-7, образуя рассеянный световой поток. Применение аттенюатора 11, а также бленды 8 и диафрагмы телескопа 10 исключает попадание рассеянного светового потока на чувствительную площадку фотоприемного устройства 13.

Аттенюатор 11, способный находиться в двух состояниях: закрытом и открытом, работает следующим образом.

В закрытом состоянии аттенюатора 11 излучение попадает на первую призму 14 (фиг.2) и поляризуется на ее поверхности А. При этом линейно-поляризованное излучение с горизонтальной плоскостью поляризации проходит через поверхность А, а линейно-поляризованное излучение с вертикальной плоскостью поляризации отражается от поверхности А. Выходящие из первой призмы 14 два потока излучения проходят через соответствующие электрооптические элементы 15 и 16 и попадают на вторую призму 17 аттенюатора 11. Поляризационная поверхность Б второй призмы 17 аттенюатора 11 пропускает линейно-поляризованное излучение с горизонтальной плоскостью поляризации и отражает линейно-поляризованное излучение с вертикальной плоскостью поляризации. Поэтому в закрытом состоянии аттенюатора 11 излучение не попадает на фокусирующий объектив 12 и фотоприемное устройство 13.

В момент, когда на электрооптические элементы 15 и 16 (фиг.2) аттенюатора 11 подается напряжение, он переходит в открытое состояние.

В открытом состоянии аттенюатора 11 излучение попадает на первую призму 14 и поляризуется на ее поверхности А. Причем линейно-поляризованное излучение с горизонтальной плоскостью поляризации проходит через поверхность А, а линейно-поляризованное излучение с вертикальной плоскостью поляризации отражается от поверхности А. Выходящие из первой призмы 14 два потока излучения при прохождении через электрооптические элементы 15 и 16 меняют плоскости поляризации на противоположные, разворачиваясь на 90°, (линейно-поляризованное излучение с вертикальной плоскостью поляризации становится линейно-поляризованным излучением с горизонтальной плоскостью поляризации, а линейно-поляризованное излучение с горизонтальной плоскостью поляризации становится линейно-поляризованном излучением с вертикальной плоскостью поляризации) и при прохождении через поверхность Б второй призмы 17 попадают на фокусирующий объектив 12 (фиг.1) и фотоприемное устройство 17 (поскольку в этом случае линейно-поляризованное излучение с горизонтальной плоскостью поляризации став линейно-поляризованном излучением с вертикальной плоскостью поляризации отражается от поверхности Б, а линейно-поляризованное излучение с вертикальной плоскостью поляризации став линейно-поляризованным излучением с горизонтальной плоскостью поляризации проходит через поверхность Б). Таким образом, сфокусированный объективом 12 полный поток излучения без потерь попадает на фотоприемное устройство 13.

Дополнением к аттенюатору 11 служат бленда 8 и диафрагма телескопа 10, которые также оказывают влияние на снижение величины внутриприборных засветок.

Бленда 8 (фиг.1) снижает величину рассеянного светового потока за счет своей конструкции, содержащей канавки с треугольным профилем, расположенные на внутренних поверхностях бленды 8. Наклонные пучки рассеянного излучения, попадая на канавки с треугольным профилем, отражаются от наклонных поверхностей канавок и не дают распространяться рассеянному излучению в направлении чувствительной площадки фотоприемного устройства 13.

Диафрагма, расположенная в плоскости промежуточного изображения телескопа 10, снижает величину рассеянного светового потока за счет отсекания внеосевых пучков излучения.

Таким образом, в отличие от ближайшего аналога, заявленное устройство с аттенюатором позволяет, практически, полностью исключить внутриприборные засветки и тем самым повысить величину измеряемой дальности.

Проведенные экспериментальные исследования показали возможность увеличения величины измеряемой дальности в 4 раза.

В качестве материала для электрооптических элементов был выбран LiNbO₃.

Устройство на основе заявленного технического решения реализуется в промышленных условиях с применением стандартного оборудования и разрешенных к применению материалов.

Использование стандартного оборудования и материалов позволяет снизить стоимость изготовления устройства на основе заявленного технического решения, а также значительно повысить его технологичность.

Заявленное техническое решение обладает универсальностью, технологичностью и эксплуатационной надежностью и может успешно применяться в системах с коаксиальным построением оптико-электронных приборов для измерения дальности.

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения, а именно к оптико-электронным приборам для измерения дальности, и может быть использовано при разработке многоканальных оптических систем. Приемо-передающее оптическое устройство содержит источник излучения, поворотные зеркала, обтекатель, телескопическую систему, аттенюатор, приемный объектив и фотоприемное устройство. Аттенюатор выполнен из двух параллельных между собой призм, поворачивающих проходящий через них поток излучения на 90°, и двух параллельных между собой электрооптических элементов, на которые в момент излучения подается напряжение. Каждая призма состоит из двух склеенных между собой оборачивающих призм и содержит поляризационное покрытие, нанесенное на поверхность склейки, при этом оптические оси призм перпендикулярны оптическим осям электрооптических элементов. Изобретение обеспечивает повышение величины максимально-измеряемой дальности. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Приемо-передающее оптическое устройство, содержащее источник излучения, зеркала, обтекатель, приемный объектив и фотоприемное устройство, отличающееся тем, что дополнительно содержит телескопическую систему, обеспечивающую требование по расходимости излучения, и аттенюатор, выполненный из двух параллельных между собой призм, поворачивающих проходящий через них поток излучения на 90°, и двух параллельных между собой электрооптических элементов, на которые в момент излучения подается напряжение, при этом каждая призма состоит из двух склеенных между собой оборачивающих призм и содержит поляризационное покрытие, нанесенное на поверхность склейки, причем оптические оси призм перпендикулярны оптическим осям электрооптических элементов.

2. Приемо-передающее оптическое устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит установленный перед аттенюатором дополнительный телескоп с диафрагмой, расположенной в плоскости промежуточного изображения телескопа.

3. Приемо-передающее оптическое устройство по п. 2, отличающееся тем, что дополнительно содержит бленду, на внутренних поверхностях которой расположены канавки треугольного профиля.