Лазерный целеуказатель

 

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению, в частности к малогабаритным лазерным источникам света, использующимся в оптических прицелах, оптических приборах для строительства и геодезии, оптических системах записи, считывания и передачи информации, медицинской технике. Сущность изобретения: целеуказатель включает установленные в корпусе на оптической оси коллимирующий объектив и лазерный диод со встроенным фотодиодом, к которым подключены схема управления, содержащая оконечный каскад, нагрузкой которого является лазерный диод, и источник питания. Схема управления дополнительно включает задающее устройство, дифференциальный каскад, буферный каскад. Первый вход дифференциального каскада соединен с выходом фотодиода, второй его вход соединен с задающим устройством, а выход - оконечным каскадом через буферный каскад. 4 ил.

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению, в частности к малогабаритным лазерным источникам света, использующимся в оптических прицелах, оптических приборах для строительства и геодезии, оптических системах записи, считывания и передачи информации, медицинской технике.

Известен лазерный целеуказатель [1] содержащий схему управления для модулируемого лазерного диода. Выполнение схемы управления в виде интегрирующего модуля не позволяет отслеживать быстропротекающие отклонения от заданных характеристик, т.е. обладает низкой стабильностью параметров и надежностью.

Известен лазерный целеуказатель, выпускаемый с 1992 г. фирмой "Tasco", США [2] содержащий корпус и установленные в нем на оптической оси коллимирующий объектив и лазерный диод со встроенным фотодиодом, к которым подключена схема управления, состоящая из комплементарно включенных двух усилительных каскадов, один из которых выполняет функцию оконечного, и схемы модуляции с таймером, причем лазерный диод является нагрузкой оконечного каскада. В качестве 6В источника питания использованы последовательно включенные две литиевые батарейки по 3В.

Излучение, испускаемое целеуказателем, прерывистое: две секунды непрерывное излучение и две секунды импульсное с частотой 10 Гц. Указанный режим работы необходим в целях экономии ресурса элементов питания.

Недостатком указанного устройства являются большие габариты, не позволяющие его установку на оружии с короткими стволами, зависимость мощности излучения лазера от температуры и изменения напряжения питания, поскольку используемая электронная схема из-за комплементарного включения транзисторов не позволяет обеспечить стабилизацию рабочей точки лазерного диода. Кроме того, наличие модуляции приводит к снижению светового потока на цели, что сопровождается уменьшением дальности его действия. Модуляция снижает также ресурс работы лазерного диода.

Задачей изобретения является снижение массогабаритных параметров, что позволит расширить класс оружия, на которое возможна установка целеуказателя, в также снижение зависимости мощности излучения от температуры и напряжения питания, что позволит отказаться от модулированного режима.

Это достигается путем стабилизации рабочей точки лазерного диода, за счет высокой чувствительности дифференциального каскада к изменениям разности двух сигналов, а также высокого коэффициента ослабления синфазной составляющей в дифференциальном каскаде. Это в свою очередь позволяет использовать в схеме 3В питание, т.е. отказаться от одной батарейки без ухудшения стабильности выходной мощности излучателя, уменьшив при этом массогабаритные параметры.

Стабилизация рабочей точки лазерного диода обеспечивает снижение зависимости мощности излучения от температуры и изменения напряжения питания, что исключает необходимость использования режима модуляции для продления ресурса работы источника питания. Это в свою очередь увеличивает среднюю освещенность цели, увеличивая дальность действия целеуказателя, повышает ресурс работы лазерного диода.

Лазерный целеуказатель включает корпус и установленные в нем на оптической оси коллимирующий объектив и лазерный диод со встроенным фотодиодом, к которым подключены схема управления, содержащая оконечный каскад, нагрузкой которого является лазерный диод, и источник питания.

Отличие состоит в том, что в схему управления введены задающее устройство, дифференциальный каскад, буферный каскад, причем первый вход дифференциального каскада соединен с выходом фотодиода, второй вход дифференциального каскада соединен с задающим устройством, а выход дифференциального каскада соединен с оконечным каскадом через буферный каскад.

На фиг. 1 изображен общий вид лазерного целеуказателя; на фиг. 2 - функциональная схема лазерного целеуказателя; на фиг. 3 принципиальная схема одного из вариантов выполнения лазерного целеуказателя; на фиг. 4 приведены экспериментальные зависимости выходной мощности излучения лазерного целеуказателя от напряжения питания а) прототипа и б) заявляемого объекта.

Лазерный целеуказатель (фиг. 1) содержит цилиндрический корпус 1, в котором установлены на оптической оси коллимирующий объектив 2, выполненные в одном корпусе 3 лазерный диод 4 и фотодиод 5, схема управления 6 и источник питания 7.

Функциональная схема лазерного целеуказателя (фиг. 2) включает задающее устройство 8, подключенное ко второму входу дифференциального каскада 9. К первому входу дифференциального каскада 9 подключен выход фотодиода 5. Выход дифференциального каскада 9 подключен ко входу буферного каскада 10, выход которого подключен ко входу оконечного каскада 11, в качестве нагрузки оконечного каскада включен лазерный диод 4.

Принципиальная схема одного из вариантов выполнения заявляемого устройства показана на фиг. 3.

Дифференциальный каскад 9 собран на транзисторах 12 и 13 и резисторах 14, 15, 16 и 17. Резистор 14 задает ток фотодиода 5. Резисторы 15 и 16 являются нагрузкой дифференциального каскада 9. Резистор 17 задает смещение мнимой нулевой точки. Выходное напряжение снимается с коллектора транзистора 13. Задающее устройство 8 представляет собой резистивный делитель из резисторов 18 и 19. Буферный каскад 10 собран по схеме Дарлингтона с разделенными коллекторами транзисторов 20 и 21. Резистор 22 является нагрузкой каскада и обеспечивает смещение базы транзистора 23, резистор 24 задает ток базы транзистора 23. Оконечный каскад 11 выполнен на транзисторе 23. Конденсатор 25 предназначен для обеспечения плавности включения лазерного диода 4. Балластный резистор 26 обеспечивает наклон вольтамперной характеристики лазерного диода 4. Диод 27 предназначен для защиты излучающего p-n перехода лазерного диода 4 от пробоя при обратном включении элемента питания 7. Лазерный диод 4 и фотодиод 5 выполнены, как правило, в одном корпусе 3.

Лазерный целеуказатель работает следующим образом. Электрический ток от источника питания 7 подается на лазерный диод 4 через схему управления 6. Если ток лазерного диода I_лд превышает пороговое значение I_п, то лазерный диод начинает генерировать излучение, которое, пройдя коллимирующий объектив, выходит из целеуказателя в виде светового пучка малой расходимости и направляется на цель.

Схема управления 6 работает следующим образом. Часть лазерного излучения попадает на встроенный фотодиод 5. Сигнал с фотодиода 5 подается на первый вход дифференциального каскада 9, на второй вход дифференциального каскада 9 подается задающий сигнал с задающего устройства 8. Усиленный разностный сигнал с дифференциального усилителя 9 подается на буферный каскад 10. С выхода буферного каскада 10 снимается сигнал, управляющий оконечным каскадом 11. Выходной ток через лазерный диод находится в зависимости от величины разностного сигнала с дифференциального каскада 9.

При исчерпании ресурса элемента питания 7 напряжение питания на выходе практически не меняется, так как изменению тока фотодиода и соответствующему смещению потенциала на базе транзистора 12 соответствует смещение потенциала на базе транзистора 13, так как и цепь питания фотодиода 5, и задающее устройство 8 находятся в равных условиях по отношению к источнику питания 7.

При изменении температуры происходит смещение рабочего тока I_лд лазерного диода 4, при котором обеспечивается необходимая выходная мощность излучения P_вых. При этом меняется ток фотодиода, и соответственно дифференциальный усилитель 9 вырабатывает сигнал управления, который через буферный каскад 10 изменяет потенциал на базе транзистора 23 выходного каскада 11, соответственно изменяя ток I_лд, тем самым компенсируя изменение выходной мощности излучения P_вых. Таким образом происходит стабилизация рабочей точки лазерного диода 4.

При исчерпании ресурса элемента питания 7 снижается напряжение питания схемы управления 6. При этом происходит одновременное снижение потенциала как задающего каскада 8, так и потенциала на базе транзистора 12. Изменения выходного сигнала дифференциального каскада 9 при этом не происходит. Уменьшение тока через лазерный диод 4 компенсируется за счет возникновения разностного сигнала дифференциального каскада 9, возникающего при уменьшении фототока, как это было показано выше.

Таким образом, при снижении напряжения рабочая точка лазерного диода 4 снижается весьма незначительно, как показано на фиг. 4 (б), в отличие от прототипа фиг. 4 (а). Резкое снижение выходной мощности излучения происходит только тогда, когда напряжения не хватает для поддержания рабочего смещения излучающего p-n перехода лазерного диода 4.

Формула изобретения

Лазерный целеуказатель, включающий корпус и установленные в нем на оптической оси коллимирующий объектив и лазерный диод с встроенным фотодиодом, к которым подключены схема управления, содержащая оконечный каскад, нагрузкой которого является лазерный диод, и источник питания, отличающийся тем, что в схему управления введены задающее устройство, дифференциальный каскад и буферный каскад, причем первый вход дифференциального каскада соединен с выходом фотодиода, второй вход дифференциального каскада соединен с задающим устройством, а его выход соединен с оконечным каскадом через буферный каскад.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4